жидкий кристалл иначе мезофаза (англ. liquid crystal) — разновидность жидкого состояния вещества, которое характеризуется определенным позиционным и/или ориентационным упорядочением молекул, и в котором сочетается присущая жидкости текучесть с анизотропией ряда свойств, характерной для кристаллов.

Описание

По степени молекулярной упорядоченности жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между твердыми кристаллами, в которых существует трехмерный дальний порядок, и жидкостями, имеющими только ближний порядок в расположении частиц. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры («частичном плавлении» твердой фазы), называются термотропными. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении концентрации поверхностно-активных веществ в растворителе, являются лиотропными.

Жидкокристаллическое состояние часто называют мезоморфным (мезос — промежуточный), а само вещество — мезофазой. Наиболее часто жидкокристаллическое состояние наблюдается у органических веществ, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму. Причина образования жидких кристаллов — существенно анизотропная форма молекул (цепочечная или плоская), что определяет относительную параллельность их укладки.

Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностями внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. В зависимости от характера расположения молекул, согласно классификации, предложенной Фриделем (Франция), различают три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические, а в последнее время выделяют также дискотические фазы.

Смектические (от греч. смегма — мыло, мазь) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую стержнеобразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя 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.

Второй тип термотропных жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. нема — нить). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо осаждаются на стенки сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят «причесанными» и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. 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 поля так же, как железные опилки, располагаясь упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Холестерические жидкие кристаллы — это, в основном, производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои так же, 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 оригинальными оптическими свойствами. Обычный 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 приобретает яркую окраску.

Дискотические жидкие кристаллы, открытые Чандрасекаром (США) и др., являются системой жидких столбиков, образующих двумерную решетку.

Лиотропные жидкие кристаллы состоят из двух и более компонентов. Обычно один из компонентов — вода, а другой — амфифил, содержащий полярную головную группу, которая присоединена к одной или нескольким длинным цепям углеводородов. Широко известный пример такой системы — раствор мыла (додецилсульфата натрия) в воде.

С увеличением концентрации воды может возникать несколько различных мезофаз. В ламеллярной фазе вода заполняет пространство между полярными группами соседних слоев, а углеводородные радикалы, имеющие неупорядоченную ориентацию, находятся в неполярном окружении. В кубической, или изотропновязкой, фазе плоские слои изгибаются и образуют сферические структурные единицы, причем полярные функциональные группы молекул расположены на поверхности сферы, а углеводородные цепи находятся внутри нее. При упаковке сфер получается пространственная кубическая объемноцентрированная решетка, а вода занимает пространство между отдельными сферами. В гексагональной, или средней, фазе слои свернуты в цилиндры. Цилиндрические структурные единицы неопределенной длины располагаются параллельно друг другу, образуя гексагональную упаковку. В некоторых системах наблюдался также нематический порядок упаковки. В смесях, богатых гидрофобными компонентами, могут появляться обращенные фазы, в которых концевые углеводородные группы обращены в сторону гидрофобной среды, тогда как вода заключена в ядре. Жидкие кристаллы применяются в дисплеях часов, калькуляторов, персональных компьютеров и являются перспективным материалом для применения в оптических компьютерах. Жидкие кристаллы открыты австрийским ботаником Ф. Рейнитцером и немецким физиком О. Леманом.

Иллюстрации

Три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.
Три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.

Авторы

  • Гудилин Евгений Алексеевич
  • Шляхтин Олег Александрович

Источники

  1. Полиядерные ароматические соединения: от синтеза к использованию // Нанометр, 2007. —www.nanometer.ru/2007/10/15/11924491987308_4857.html
  2. Жидкие кристаллы прекрасны и загадочны, и поэтому я их люблю // Нанометр, 2007. —www.nanometer.ru/2007/08/09/liquid_crystal_3905.html
  3. Наноазбука: кристаллы, которые можно налить // Нанометр, 2007. —www.nanometer.ru/2007/07/21/liquid_crystal_3839.html
  4. Иллюстрированная лекция о строении и свойствах жидких кристаллов. — http://dept.kent.edu/spie/liquidcrystals/

Напишите нам