Понятие и классификация жидких кристаллов

Жидкий кристалл - это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном.

Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние - жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это - упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

Наряду с термином "жидкие кристаллы" для названия вновь открытого состояния материи на протяжении многих лет употребляют и другие термины: текучие кристаллы, мезоморфное состояние. Однако чаще всего 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. Полученные таким способом кристаллы называются лиотропными, в отличие от термотропных кристаллов, полученных плавлением твердоговещества.

Жидкие кристаллы можно разделить на две группы: термотропные жидкие кристаллы и лиотропные.

Термотропные жидкие кристаллы образуются в результате нагревания твердого вещества. Они существуют в определенном интервале температур и давлений. Лиотропные жидкие кристаллы представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях амфифильных молекул и воды или других полярных растворителей, заменяющих воду.

Классификация жидких кристалловпредложена Леманном, затем расширена Фриделем. По этой классификации выделяются три типа смектические, нематические и холестерические. Жидкие кристаллы, входящие в каждую из этих групп, различаются физическими, и, прежде всего, оптическими свойствами. Это отличие следует из их структурного различия. Рассмотрим каждый тип подробнее.

Смектическое мезоморфное состояние впервые наблюдалось в мылах ("смегма" - по-гречески мыло). Внутренние и внешние поверхности пленок и есть, собственно, смектические слои разделенные в пузырях водной прослойкой. В таких кристаллах вытянутые молекулы в форме сигар или веретен расположены параллельно своими длинными осями и образуют слои одинаковой толщины, близкой длине молекул.

Эти, так называемые смектические слои лежат один над другим на одинаковом расстоянии, они могут легко скользить один по одному, обусловливая текучесть жидкого кристалла. Молекулярные слои в типичных смектических жидких кристаллах подвижны, легко перемещаются параллельно друг другу. Температура фазового перехода в мезоморфное состояние достаточно высока. Она должна быть такой, чтобы нарушить связь между рядами, но не нарушить связь между молекулами, расположенными на близком расстоянии. Если связь между молекулами в отдельном слое частично нарушена, то вещество в пределах слоя ведет себя как двумернаяжидкость. По мереснижения температуры упорядочение в слояхувеличивается, а при достаточно низких температурах наблюдается упорядочение нетолько молекулв слоях, но и самих слоев исоответственно их взаимное прилегание. При дальнейшем понижениитемпературы появляется кристаллическая структура, т.е. может образоваться твердый кристалл с простейшей молекулярнойструктурой. Смектические жидкие кристаллы часто называют смектиками.

Нематические жидкие кристаллы ("нема" - по-гречески нить) характеризуются наличием микроструктур в виде нитей, концы которых либо свободны, либо связаны со стенкой емкости, в которой находится изучаемое вещество. Ориентация осей молекул в этих кристаллах параллельна, однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определенному направлению, а их центры размещены хаотично. Нематические жидкие кристаллы называются также нематиками.

Холестерические жидкие кристаллы, или холестерики (от названия вещества холестерина), состоящие из хиральных молекул.

К ним относятся, главным образом, производные холестерина. Сам холестерин не дает мезофазы. В холестерических жидких кристаллах молекулы расположены в слоях, как и в смектиках, однако длинные оси молекул параллельны плоскости слоев, а их расположение в пределах слоя напоминает скорее нематик. Слои в холестерических кристаллах тонкие, мономолекулярные. Каждая молекула имеет плоскую конфигурацию и боковую метильную СНз-группу, расположенную над или под плоскостью. При такой конфигурации атомоввмолекулах следует, что направление ориентации длинных осей молекул вкаждом последующем слое отклонено на 15 угловых минут по сравнению с предыдущим слоем. Эти отклонения суммируются по всей толщине вещества, что приводит к образованию спиральной молекулярной структуры холестерического жидкого кристалла.

Холестерические жидкие кристаллы похожи по структуре на нематики, но имеют принципиальное отличие. Оно состоит в том, что в холестерике, свободном от внешних воздействий, однородная ориентация оптической оси является энергетически невыгодной. Молекулы холестерина можно расположить параллельно друг другу (как в нематике) в тонком монослое, но в соседнем слое хиральные молекулы должны быть повернуты на некоторый малый угол: энергия этого состояния оказывается меньшей, чем при однородной ориентации оси. В стопке таких нематических монослоев ось поворачивается постепенно от слоя к слою, образуя в пространстве правый или левый винт, называемый также твист-ориентацией оптической оси.

Угол между векторами соседних монослоев и шаг винта к в холестерике можно грубо оценить, исходя из простых предположений. Очевидно, чем меньше угол (где угол между векторами соседних монослоев)тем меньше энергия взаимодействия спирального участка молекулы с соседней молекулой и тем больше взаимодействие основных плоских участков молекул. Поскольку, грубо говоря, спиральный участок содержит один атом, а плоский - 100, то отношение этих энергий взаимодействия составляет около 0,01. Поэтому угол составляет сотые доли полного оборота.

Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски жидкого кристалла.

Голубые фазы. Такое название благодаря своей окраске получили состояния вещества, содержащего хиральные молекулы, которые существуют в узкой температурной области порядка 10 между изотропножидкой и холестерической фазами. Они долгое время интриговали исследователей, поскольку никак не удавалось расшифровать их структуру. Голубые фазы оптически изотропны, имеют кубическую пространственную структуру, обладают оптической активностью. Размер элементарной ячейки обычно больше шага холестерического винта.

В настоящее время поняты причины этих особенностей голубых фаз. В сущности, такие состояния хирального вещества демонстрируют возможность образования трёхмерных структур, когда на холестерическуго ориентационную спираль накладываются дополнительные модуляции в трех измерениях с периодом, не равным шагу исходного винта. Эти новые кубические сверхструктуры, как и одномерную холестерическую, можно было бы назвать несоразмерными, т. е. обладающими пространственными периодами, не кратными размерам молекул l. Информацию о кубическом строении голубых фаз дают экспериментальные данные по брэгговскому рассеянию в видимом диапазоне спектра. При объяснении необычных свойств голубых фаз решающее значение имели соображения Бразовского и Дмитриева о том, что в таких системах большую роль играет так называемый ближний порядок молекул, т. е. организация молекулярных групп на сравнительно малом расстоянии I, называемом корреляционным радиусом.

Дата добавления: 2015-08-02