1.3.1. Жидкие кристаллы

Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.

1.3.1.1. Общие сведения о жидких кристаллах.

В конце XIX века были открыты вещества, свойства внутренней структуры которых в жидком состоянии имели черты, характерные как для жидкостей, так и для твердого тела. Такое состояние вещества было названо мезоморфным ("мезос" - промежуточный), что означает состояние с промежуточной структурой, а вещества – жидкими кристаллами. Представлялось, что это название не соответствует истине, что вызвало много споров. Вещество в жидком состоянии обладает текучестью и принимает форму сосуда, в котором находится. Ориентация молекул в жидкости, даже если она имеет место, имеет ближний порядок. Встречаются они довольно часто.

1.3.1.2. Открытие жидких кристаллов

В 1888 г. Ботаник Рейнитцер опубликовал свои наблюдения о поведении при изменении температуры ситтезированного им холестерилбензоата. Кристаллы этого вещества плавились при температуре 145,5ºС, переходя в мутную жидкость. Эта жидкость при дальнейшем нагревании 178,5ºС становилась прозрачной и с дальнейшим повышением температуры оставалась не изменой. В процессе охлаждения в жидкости появлялась голубоватая окраска при 178,5ºС, которая быстро исчезала, и жидкость мутнела. Когда температура достигала 145,5ºС, снова появлялась такая окраска, после чего наступала кристаллизация. Темная окраска жидких кристаллов обусловлена тем, что они содержат агрегаты размеры которых превышают длины волн видимого света.

Образцы Рейнитцера исследовал физик Леманн в поляризованном микроскопе и установил, что исследуемая жидкость в мутном состоянии проявляет оптическую анизотропию.

Сущность вновь открытого состояния веществ могли объяснить только дополнительные экспериментальные факты. Результаты дальнейших работ Леманна и Шенка позволили установить, что речь идет о новом, до сих пор не известном термодинамическом состоянии вещества, которое отличается от обычных жидкостей не только оптическими, но и другими физическими свойствами, например электрическими и магнитными. Форлендер вскоре установил, что это, в основном, органические молекулы вытянутой формы.

Какие свойства молекулы должны способствовать образованию жидких кристаллов? Это должны быть длинные тонкие молекулы или плоские двумерные молекулы, что будет поводит к почти полному отсутствию вращения в жидком состоянии при низкой температуре. Молекулы должны обладать значительным электрическим моментом и сильными межмолекулярными связями в жидком состоянии.

1.3.2. Классификация жидких кристаллов

Наряду с термином «жидкие кристаллы» для названия вновь открытого состояния материи на протяжении многих лет употреблялись и другие термины: текучие кристаллы, мезоморфное состояние либо паракристаллы. Однако чаще наряду с термином жидкий кристалл применяется название анизотропная жидкость, а чтобы более детально подчеркнуть тип жидкого кристалла, употребляют следующие термины: нематическая, смектическая или холестерическая жидкости.

Жидкие кристаллы получают не только плавлением, но и растворением некоторых твердокристаллических тел.

С увеличением концентрации раствор вначале дает смектическую, затем нематическую и изотропную жидкости. Однако некоторые вещества в соответствующем растворителе дают кристаллы только одного типа, например холестерические жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы получаемые растворением в соответствующем растворителе называются лиотропными, в отличие от термотропных кристаллов, полученных плавлением твердого вещества.

Выделяют три типа или группы .жидких кристаллов: нематические, смектические и холестерические. Жидкие кристаллы, входящие в каждую из групп, различаются физическими, и , прежде всего, оптическими свойствами. Это отличие следует из их структурного различия.

Некоторые из упомянутых веществ могут поочередно находиться в двух мезоморфных фазах: холестерическои и смектической или нематической и смектической. Индивидуальных соединений, дающих нематическую и холестерическую фазы, не обнаружено.

Смектические ( от греч. "смегма" - мыло) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую сигарообразную форму, причем они ориентированы пар аллельно друг другу и образуют тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла - анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

В торой тип жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. "нема" - "нить"). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо прилипают к стенкам сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят "причесанными" и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Подходящая аналогия для нематических жидких кристаллов - длинная коробка с короткими карандашами, которые могут свободно поворачиваться вокруг своей оси, перемещаться вдоль коробки, но никогда не встают поперек. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают "муаровую" текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поле так же, как железные опилки, располагаясь самым упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Холестерические жидкие кристаллы - это в основном производные хол естерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои (как у смектических), но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают необычными оптическими свойствами. Обычные свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он принимает яркую окраску.

Из каждой тысячи новых органических соединений, синтезируемых в лабораториях мира, по крайней мере, пять могут образовывать жидкие кристаллы. Универсальные свойства таких веществ позволили использовать их во многих областях науки и техники, в частности при изготовлении жидкокристаллических дисплеев, плоских экранов, термометров.

Общие свойства жидких кристаллов:

Общее для всех типов жидких кристаллов свойство - двойное преломление света, характерное для большинства твердых кристаллов, (за исключением кубических) с помощью которого можно идентифицировать мезоморфное состояние.

Другим свойством, характерным для холестерических жидких кристаллов, является вращение плоскости поляризации. Если пропустить линейно-поляризованный свет через слои холестерической мезофазы перпендикулярно молекулярным соям, то направление колебаний электрического вектора световой волны будет повернуто влево или вправо (левовращательный или правовращательный холестерик). Плоскость колебаний света поворачивается влево или вправо. Угол вращения пропорционален толщине слоя вещества. Как известно, такое свойство проявляют некоторые твердые кристаллы и растворы ассиметричных, так называемых оптически активных веществ, например сахара. Угол вращения плоскости поляризации для этих веществ порядка нескольких десятков градусов на 1 мм. Пути светового сигнала, в то время как холестерические жидкие кристаллы, имеющие сильную оптическую активность, вращают плоскость поляризации света даже до 18000º на 1 мм пути.

Наличие в жидких кристаллах дальнего порядка в ориентации молекул вызывает анизотропию электрических и магнитных свойств, присущую твердым кристаллам. Однако, в отличие от твердых тел, силы межмолекулярных взаимодействий здесь значительно слабее. Энергия деформации жидких кристаллов мала, поэтому их молекулярную структуру легко изменить по действием электрического и магнитных полей небольшой мощности. Для изменения структуры достаточно также незначительные температурные колебания или механическое воздействие на жидкий кристалл. Структурным изменениям жидких кристаллов сопутствует изменение их оптических свойств, так как вторичными эффектами изменения ориентации молекул являются изменения степени пропускания и отражения сета, кругового дихлоризма, двулучепреломления, оптической активности и окраски. Отсюда следует, что эти свойства легко управляемы, особенно в случае холестерических жидких кристаллов проходит под действием минимальных температурных колебаний.

Обладая такими интересными оптическими свойствами жидкие кристаллы находят широкое применение в современной технике: радиоэлектронике, медицинской технике… Так например, взаимная ориентация слоев молекул может измениться под действием ничтожного малой разности потенциалов, а это вызывает или появление окраски «мезофазы» или ее изменение (табло счетных машин, часов)

Весьма вероятно, что такие сочетания высокой текучести, и значительной упорядоченности структуры обнаруженное в жидких кристаллах определяет их, по – видимому основную роль в биологических системах, где оба эти свойства весьма существенны для выживания организма