Жидкие кристаллы
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ, в-ва, переходящие при определенных условиях (т-ра, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллич. состояние, к-рое является промежуточным между кристаллич. состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью, но при этом для них характерно спонтанное появление анизотропии св-в (оптич., электрич., магнитных и др.) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц (атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллич. состояние часто наз. также мезоморфным (мезофазой). На диаграмме состояния температурный интервал существования жидких кристаллов ограничен т-рой плавления твердых кристаллов и т. наз. т-рой просветления, при к-рой жидкокристаллич. мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления мезофазы и превращения ее в изотропную жидкость. Молекулы жидкокристаллич. соед. обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преим. параллельно друг другу. Т. наз. термотропные жидкие кристаллы образуются при термич. воздействии на в-во. Такие жидкие кристаллы образуют, напр., производные ароматич. соед., содержащие чередующиеся линейные и циклич. группировки (бензольные кольца). Жидкокристаллич. фаза образуется чаще всего в том случае, если заместители в молекуле располагаются в пара-положении. Большое кол-во термотропных жидкокристаллич. соед. м. б. изображено общей формулой:
X обычно —СН=N—, -СН2—СН2—, -НС=СН—,
, —С(О)—NH—. Концевыми группами Y и Z м. б. алкильные и алкоксильные группировки, галогены, циано-, нитро- и аминогруппы и др. Примеры нек-рых жидких кристаллов приведены в таблице. Часто жесткие фрагменты молекул, напр., циклич. группировки, определяющие существование мезофазы, наз. "мезогенными". Наличие разветвлений в молекулах приводит к сужению температурного интервала существования мезофазы.
K - твердое кристаллич. состояние, I - изотропная жидкость (расплав), N - нeматики, S(SA, SB, SF - смектики, D - дискотики, Ch - холестерики. Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении нек-рых в-в в определенных р-рителях. Напр., водные р-ры мыл, полипептидов, липидов, белков, ДНК и др. образуют жидкие кристаллы в определенном интервале концентраций и т-р. Структурными единицами лиотропных жидких кристаллов являются надмолекулярные образования разл. типов, распределенные в среде р-рителя и имеющие цилиндрич., сферич. или др. форму. В зависимости от характера расположения стержнеобразных молекул различают три осн. типа жидких кристаллов - смектический, нематический и холестерический. В смектич. жидких кристаллах (их наз. смектиками, обозначают S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектич. плоскости). Длинные оси молекул могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектич. слоя (ортогональные смектики, рис. 1,а), так и под нек-рым углом к слою (наклонные смектики, рис. 1,б).
Рис. 1. Структура смектических (а и б) и нематических (в) жидких кристаллов (а - ортогональное, б - наклонное расположение молекул).
Кроме того, возможно
упорядоченное и неупорядоченное расположение молекул в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования разл. полиморфных модификаций. Известно св. десятка полиморфных смектич. модификаций, обозначаемых буквами латинского алфавита, смектики А, В, С и т. д. (или SА, SВ, SC и т. д.). Формирование смектич. фаз характерно для жидкокристаллич. соед., молекулы к-рых содержат длинные концевые алкильные или алкоксильные группы Y и Z с числом атомов углерода / 4-6.
Нематич. жидкие кристаллы (нематики N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при к-ром длинные оси молекул расположены однонаправленно при беспорядочном расположении центров тяжести молекул (рис. 1,в). Нематич. тип жидких кристаллов образуют соед., в молекулах к-рых имеются короткие алкильные или алкоксильные группы (число атомов углерода [ 3).
Рис. 2. Структура холестерических жидких кристаллов; пунктиром изображен шаг спирали; стрелки указывают направление длинных осей молекул.
Холестерич. тип мезофазы (холестерики Сhоl) образуется двумя группами соед.: производными оптически активных стероидов, гл. обр. холестерина (отсюда назв.), и нестероидными соед., принадлежащими к тем же классам соед., к-рые образуют нематич. жидкие кристаллы, но обладающими хиральностью (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной к-ты, азо- и азоксисоединения и др.). В холестерич. жидких кристаллах молекулы расположены так же, как в нематических, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью (рис. 2). В-ва с дискообразными молекулами (дискотики D) могут образовывать жидкие кристаллы, в к-рых молекулы упакованы в колонки (имеется дальний порядок в ориентации плоскостей дискообразных молекул) или расположены так же, как в нематиках (дальний порядок отсутствует) (рис. 3, а и б).
Своеобразная структура жидкокристаллич. соед., обеспечивающая сочетание упорядоченности в расположении молекул с их высокой подвижностью, определяет широкие области практич. использования жидких кристаллов. Направление преимуществ. ориентации молекул, характеризуемое аксиальным единичным вектором, или директором, может легко изменяться под воздействием разл. внеш. факторов - т-ры, мех. напряжений, напряженности электрич. и магн. полей.
Рис. 3. Структура дискотических жидких кристаллов: а - колончатая фаза; б - нематическая фаза.
Непосредственная причина ориентации или переориентации директора - анизотропия вязкоупругих, оптич., электрич. или магн. св-в среды. В свою очередь, изменение преимуществ. ориентации молекул вызывает изменение оптич., электрич. и др. св-в жидких кристаллов, т. е. создает возможность управления этими св-вами посредством сравнительно слабых внеш. воздействий, а также позволяет регистрировать указанные воздействия. Электрооптич. св-ва нематич. жидких кристаллов широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и т. п.), оптич. затворах и др. светоклапанных устройствах. Преимущества этих приборов - низкая потребляемая мощность (порядка 0,1 мВт/см2), низкое напряжение питания (неск. В), что позволяет, напр., сочетать жидкокристаллич. дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевиз. экраны).
Спиральная структура холестериков определяет их высокую оптич. активность (к-рая на неск. порядков выше, чем у обычных орг. жидкостей и твердых кристаллов) и способность селективно отражать циркулярно поляризованный свет видимого, ИК и УФ диапазонов. При изменении т-ры, состава среды, напряженности электромагн. поля изменяется шаг спирали, что сопровождается изменением оптич. св-в, в частности цвета. Это позволяет измерять т-ру тела по изменению цвета жидкого кристалла, контактирующего с пов-стью тела. Жидкокристаллич. термография используется в технике для визуализации ИК, СВЧ излучений, в качестве неразрушающих методов контроля в микроэлектронике и др., в медицине - для диагностики ряда сосудистых и острых воспалит. заболеваний.
Особое место среди жидкокристаллич. в-в занимают полимеры. Термотропные полимерные жидкие кристаллы получают "хим. включением" мезогенных групп в состав линейных и гребнеобразных макромолекул. Это позволяет не только значительно увеличить кол-во жидкокристаллич. в-в, но и существенно расширить общие представления о природе жидкокристаллич. состояния. На основе полимеров можно получать жидкокристаллич. стекла, пленки, волокна и покрытия с заданными анизотропными св-вами. Мезогенные группы макромолекул легко ориентируются в мезофазе под действием внеш. полей (мех., электрич., магнитных), а при послед. охлаждении полимера ниже т-ры стеклования полученная анизотропная структура фиксируется в твердом состоянии. Использование лиотропного жидкокристаллич. состояния на стадии переработки жесткоцепных полимеров - новый путь получения высокопрочных высокомодульных полимерных материалов.
Жидкие кристаллы открыты в 1888 Ф. Рейнитцером и О. Леманом. Число описанных жидких кристаллов превышает десятки тысяч и непрерывно увеличивается.
===
Исп. литература для статьи «ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ»: Жен П. Ж. де. Физика жидких кристаллов, пер. с англ., М., 1977; Блинов Л. М., Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М., 1978; Платэ Н. А., Шибаев В. П., Гребнеобразные полимеры и жидкие кристаллы, М., 1980; Пикин С. А., Структурные превращения в жидких кристаллах, М.. 1981, Сонин А. С., Введение в физику жидких кристаллов, М., 1983; Америк Ю. Б., Кренцель Б. А., Химия жидких кристаллов и мезоморфных полимерных систем. М., 1981, Современная кристаллография, т. 4, М., 1981, с. 425-83 В. П. Шибаев.
Страница «ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.