Рідкі кристали
Введення
Рідкі кристали (скорочено РК) - речовини, що володіють одночасно властивостями як рідин (плинність), так і кристалів (анізотропія). За структурою РК є рідини, схожі на желе, що складаються з молекул витягнутої форми, певним чином упорядкованих у всьому обсязі цієї рідини. Найбільш характерним властивістю РК є їх здатність змінювати орієнтацію молекул під впливом електричних полів, що відкриває широкі можливості для застосування їх у промисловості. За типом РК зазвичай поділяють на дві великі групи: нематики і смектики. У свою чергу нематики поділяються на власне нематичні і холестеричні рідкі кристали.
Історія відкриття рідких кристалів
Рідкі кристали відкрив в 1888 р. австрійський ботанік Ф. Рейнитцер. Він звернув увагу, що у кристалів холестерілбензоата і холестерілацетата було дві точки плавлення і, відповідно, два різні рідкі стани - мутне і прозоре. Проте, вчені не звернули особливої уваги на незвичайні властивості цих рідин. Довгий час фізики та хіміки в принципі не визнавали рідких кристалів, тому що її існування руйнувало теорію про трьох станах речовини: твердому, рідкому і газоподібному. Вчені відносили рідкі кристали то до колоїдних розчинів, то до емульсій. Науковий доказ було надано професором університету Карлсруе Отто Леманном (нім. Otto Lehmann) після багаторічних досліджень, але навіть після появи в 1904 році написаної ним книги «Рідкі кристали», відкриттю не знайшлося застосування.
У 1963 р. американець Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) використовував найважливішу властивість рідких кристалів - змінювати колір під впливом температури - для виявлення невидимих простим оком теплових полів. Після того, як йому видали патент на винахід (US Patent 3114836 (англ.)), інтерес до рідких кристалів різко зріс.
У 1965 р. в США зібралася Перша міжнародна конференція, присвячена рідким кристалам. У 1968 р. американські вчені створили принципово нові індикатори для систем відображення інформації. Принцип їх дії заснований на тому, що молекули рідких кристалів, повертаючись в електричному полі, по-різному відображають і пропускають світло. Під впливом напруги, яке подавали на провідники, впаяні в екран, на ньому виникало зображення, що складається з мікроскопічних точок. І все ж тільки після 1973 р., коли група англійських хіміків під керівництвом Джорджа Грея (англ. George William Gray) синтезувала рідкі кристали з відносно дешевої і доступної сировини, ці речовини отримали широке поширення в різноманітних пристроях.
Групи рідких кристалів
За своїм загальним властивостям рідкі кристали можна розділити на дві великі групи:
термотропні РК, які утворюються в результаті нагрівання твердої речовини та існуючі в певному інтервалі температур і тисків і ліотропні РК, які представляють собою двох або більше компонентні системи, які утворюються в сумішах стержневідних молекул даної речовини і води (або інших полярних розчинників). Ці стержневидні молекули мають на одному кінці полярну групу, а більша частина стрижня являє собою гнучкий гідрофобно вуглеводний ланцюг. Такі речовини називаються амфіфіли (амфі - по-грецьки означає з двох кінців, філос - люблячий, прихильності). Прикладом амфіфілів можуть служити фосфоліпіди.
Амфіфільні молекули, як правило, погано розчиняються у воді, схильні утворювати агрегати таким чином, що їх полярні групи на межі розділу фаз спрямовані до рідкої фазі. При низьких температурах змішування рідкого амфіфіла з водою призводить до розшарування системи на дві фази. Одним з варіантів амфіфілів зі складною структурою може служити система мило-вода. Тут є аліфатичний аніон СН3-(СН2) n-2-СО2-(де n ~ 12-20) і позитивний іон Nа +, К +, NН4 + і ін Полярна група СО2-прагне до тісного контакту з молекулами води, тоді як неполярная група (амфіфільних ланцюг) уникає контакту з водою. Це явище є типовим для амфіфілів.
Термотропних РК поділяються на три великі класи:
Нематичні рідкі кристали. У цих кристалах відсутній дальній порядок в розташуванні центрів тяжіння молекул, у них немає шаруватої структури, їх молекули ковзають безперервно в напрямку своїх довгих осей, обертаючись навколо них, але при цьому зберігають орієнтаційний порядок: довгі осі направлені вздовж одного переважного напрямку. Вони ведуть себе подібно до звичайних рідин. Нематические фази зустрічаються тільки в таких речовинах, у молекул яких немає відмінності між правою і лівою формами, їх молекули тотожні свого дзеркального зображенню (ахіральні). Прикладом речовини, що утворює нематичних РК, може
Смектичні рідкі кристали мають шарувату структуру, шари можуть переміщатися один щодо одного. Товщина смектичного шару визначається довжиною молекул (переважно, довжиною парафінового «хвоста»), проте в'язкість смектики значно вище ніж у нематиків і щільність по нормалі до поверхні шару може сильно змінюватися. Типовим є терефтал-біс (nара-бутіланілін):
Холестеричні рідкі кристали - утворюються, в основному, сполуками холестерину та інших стероїдів. Це нематичні РК, але їх довгі осі повернені один щодо одного так, що вони утворюють спіралі, дуже чутливі до зміни температури внаслідок надзвичайно малої енергії утворення цієї структури (близько 0,01 Дж / моль). В якості типового холестерика можна назвати аміл-пара-(4-ціанобензіліденаміно) - ціннамат
Холестерика яскраво забарвлені і найменша зміна температури (до тисячних часток градуса) призводить до зміни кроку спіралі і, відповідно, зміни забарвлення РК.
У всіх наведених типах РК характерним є орієнтація дипольних молекул у визначеному напрямку, який визначається одиничним вектором - званим «директором».
У недавній час відкриті так звані колончаті фази, які утворюються тільки дископодібним молекулами, розташованими шарами один на одного у вигляді багатошарових колон, з паралельними оптичними осями. Часто їх називають «рідкими нитками», уздовж яких молекули мають трансляційними ступенями свободи. Цей клас сполук був передбачений академіком Л. Д. Ландау, а відкритий лише в 1977 Чандрасекара. Схематично характер впорядкованості рідких кристалів названих типів представлений на малюнку.
У РК незвичайні оптичні властивості. Нематики і смектики - оптично одновісні кристали. Холестерики внаслідок періодичного будови сильно відбивають світло у видимій області спектра. Оскільки в нематика і холестерика носіями властивостей є рідка фаза, то вона легко деформується під впливом зовнішнього впливу, а так як крок спіралі в холестерика дуже чутливий до температури, то, отже, і відображення світла різко змінюється з температурою, приводячи до зміни кольору речовини.
Ці явища широко використовуються в різних додатках, наприклад, для знаходження гарячих точок у мікроланцюгах, локалізації переломів і пухлин у людини, візуалізації зображення в інфрачервоних променях і ін
Характеристики багатьох електрооптичних пристроїв, що працюють на ліотропних РК, визначаються анізотропією їх електропровідності, яка, у свою чергу, пов'язана з анізотропією електронної поляризованості. Для деяких речовин внаслідок анізотропії властивостей РК питома електропровідність змінює свій знак. Наприклад, для н-октілоксібензойной кислоти вона проходить через нуль при температурі 146 ° С, і пов'язують це зі структурними особливостями мезофази і з полярізуємостю молекул. Орієнтація молекул нематичної фази, як правило, збігається з напрямком найбільшої провідності.
Всі форми життя так чи інакше пов'язані з діяльністю живої клітини, багато структурні ланки якої схожі на структуру рідких кристалів. Володіючи чудовими діелектричними властивостями, РК утворюють внутрішньоклітинні гетерогенні поверхні, вони регулюють взаємини між клітиною і зовнішнім середовищем, а також між окремими клітинами і тканинами, повідомляють необхідну інертність складовим частинам клітини, захищаючи її від ферментативного впливу. Таким чином, встановлення закономірностей поведінки РК відкриває нові перспективи у розвитку молекулярної біології.
Застосування рідких кристалів
Одне з важливих напрямків використання рідких кристалів - термографія. Підбираючи склад рідкокристалічного речовини, створюють індикатори для різних діапазонів температури і для різних конструкцій. Наприклад, рідкі кристали у вигляді плівки наносять на транзистори, інтегральні схеми та друковані плати електронних схем. Несправні елементи - сильно нагріті або холодні, непрацюючі - відразу помітні по яскравим колірним плямам. Нові можливості отримали лікарі: рідкокристалічний індикатор на шкірі хворого швидко діагностує приховане запалення і навіть пухлину.
За допомогою рідких кристалів виявляють пари шкідливих хімічних сполук і небезпечні для здоров'я людини гамма-та ультрафіолетове випромінювання. На основі рідких кристалів створені вимірювачі тиску, детектори ультразвуку. Але найбільш багатообіцяюча область застосування рідкокристалічних речовин - інформаційна техніка. Від перших індикаторів, знайомих всім по електронному годиннику, до кольорових телевізорів з рідкокристалічним екраном розміром з поштову листівку минуло лише кілька років. Такі телевізори дають зображення дужу високої якості, споживаючи меншу кількість енергії.