WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
UNUSUAL CRYSTALS OR НЕОБЫЧНЫЕ КРИСТАЛЛЫ ENIGMATICAL LIQUIDS ИЛИ ЗАГАДОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ V. P. SHIBAEV..

This article is a short ‚ „‰‡‚ ‚ introduction in chemistry... ‚‡ and physics of liquid crystals, which combine aniso tropic properties of solid Необычное сочетание слов “жидкие кристалcrystals and fluidity of лы”, вероятно, многим читателям уже знакомо, хоliquids. These seemingly тя далеко не все представляют себе, что же стоит за этим странным и, казалось бы, противоречивым conflicting qualities define понятием. Несмотря на то что жидкие кристаллы не the unusual physicoтак давно справили столетие со дня их открытия, до chemical properties of сих пор ни в одном из школьных учебников физики и химии вы не найдете даже упоминания об этих liquid-crystalline (LC) comудивительных веществах, удачно сочетающих аниpounds, which find the зотропные свойства1 кристаллов и текучие свойства widest applications in жидкостей, а слово “жидкокристаллический” (ЖК) воспринимается как нечто непонятное, сродни, development of a variety скажем, горяче-холодному или красно-зеленому.

of electrooptical systems, В то же время, вероятно, каждый второй (ну, моas well as play an essenжет быть, третий!) читатель носит при себе ЖК-инtial role in the biological дикаторы и по нескольку десятков раз в день посматривает на свои электронные часы, ЖК-циферблат processes.

которых аккуратно отсчитывает часы, минуты, секунды, а иногда и доли секунд. Именно ЖК-индикаторы являются основой современных калькуля‡fl ‰‡‚fl торов, портативных компьютеров “Notebooks”, · ‚‚‰ ‚ миниатюрных плоских экранов телевизоров, слова ‰ ‡рей-переводчиков, пейджеров и многих других современных электронных технических и бытовых ‚, ‡ ‡приборов и устройств.

‚‚‡ Мировое производство ЖК-индикаторов и дис‡‚ ·плеев исчисляется миллиардами и, по прогнозам, ‰. ‰- будет увеличиваться и дальше. Уже сейчас без преувеличения можно сказать, что прогресс и развитие ‚,, ‡ряда отраслей науки и техники немыслимы без раз‡ ·, ‚вития исследований в области жидких кристаллов.

‚ ‡‚‡ ‰- Не меньший интерес представляют собой жидкие кристаллы с точки зрения биологии и процессов fl · ‚жизнедеятельности. Функционирование клеточных ‚‡ ‰‡мембран и ДНК, передача нервных импульсов, ра ‰, бота мышц, формирование атеросклеротических бляшек – вот далеко не полный перечень процес fl сов, протекающих в ЖК-фазе, с присущими этой ‰fl ‰‡fl ‡·фазе особенностями – склонностью к самооргани‡ - зации при сохранении высокой молекулярной подвижности. Очевидно, что на нескольких страницах, ‡ ‡ „невозможно рассказать все, что сегодня известно о ‡ ‚ ‚ ·„ Анизотропия свойств – неодинаковость количественных характеристик физических свойств (оптических, элек‡.

трических, механических и др.) по различным направлениям. Все твердые кристаллы анизотропны.

..

© ·‡‚.., жидких кристаллах, поэтому статью следует рассма- Такое состояние является термодинамически статривать как введение в мир этих необычных соеди- бильным фазовым состоянием и по праву наряду с нений. Всех читателей, желающих более подробно твердым, жидким и газообразным может рассматознакомиться с жидкими кристаллами, мы отсыла- риваться как четвертое состояние вещества1.

ем к рекомендуемой литературе.

Однако понимание природы ЖК-состояния веществ, установление и исследование их структур ной организации приходят значительно позднее.

Со времени открытия жидких кристаллов про- Серьезное недоверие к самому факту существовашло более ста лет. Впервые их обнаружил австрий- ния таких необычных соединений в 20–30-х годах сменилось их активным исследованием. Работы ский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина – хо- Д. Форлендера в Германии во многом способствовалестерилбензоата (рис. 1). При температуре плавле- ли синтезу новых ЖК-соединений. Достаточно сказать, что под его руководством было выполнено 85 диссертаций по жидким кристаллам. ФранцузCH3 ский ученый Ж. Фридель предложил первую класCH3 CH3 CHсификацию жидких кристаллов, голландец С. Озеен CH (CH2)3 CH CH3 и чех Х. Цохер создали теорию упругости, русские O ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССР в 30-х годах впервые исследовали поведение жидких C6H5 C O кристаллов в электрических и магнитных полях.

Tпл Tпр Однако до 60-х годов изучение жидких кристаллов Кристал- Жидкокристал- Изоне представляло существенного практического инлическое лическое тропный тереса и все научные исследования имели достаточсостояние состояние расплав но ограниченный, чисто академический интерес.

120 130 140 150 160 170 180 190 200 T, °C Ситуация резко изменилась в середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлек145° 179° троники и микроминиатюризацией приборов потребовались вещества, способные отражать и передавать Рис. 1. Первое жидкокристаллическое соединеинформацию, потребляя при этом минимум энерние – холестерилбензоат и диаграмма, иллюстригии. И вот здесь на помощь пришли жидкие крисрующая температурную область существования ЖК-фазы. таллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность) позволил создать управляемые внешним электриния (Тпл), 145°С, кристаллическое вещество превраческим полем быстродействующие и экономичные щалось в мутную, сильно рассеивающую свет ЖК-индикаторы, являющиеся по существу основжидкость, которая при 179°С становилась прозрачным элементом многомиллионной “армии” часов, ной. В отличие от точки плавления температуру, калькуляторов, плоских экранов телевизоров, элекпри которой происходило просветление образца, тронных приборов технического и бытового назнаРейнитцер назвал точкой просветления (Тпр). Порачения и т.д.



женный этим необычным явлением, свидетельствующим как будто о двойном плавлении, Рейнитцер Жидкокристаллический бум, в свою очередь, отправил свои препараты немецкому кристаллограстимулировал активную научную деятельность: софу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в зывались международные симпозиумы и конфестранном поведении холестерилбензоата. Исследуя ренции по жидким кристаллам, организовывались их при помощи поляризационного микроскопа, Лешколы для молодых ученых, выпускались сборники ман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейи монографии. Лавинообразный поток научных нитцером, является анизотропной. Поскольку свойпубликаций в этой области привел к некоторой моство анизотропии присуще твердому кристаллу, а дификации названия международного журнала вещество в мутной фазе было жидким, Леман на“Molecular Crystals”, который получил название звал его жидким кристаллом.

“Molecular Crystals and Liquid Crystals”. Но и этого оказалось недостаточно. С 1986 года в Англии начал С тех пор вещества, способные в определенном издаваться новый международный журнал – “Liтемпературном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (теку- quid Crystals”, а в 1990 году создано Международное честь, способность к образованию капель) и свой- общество по жидким кристаллам (International Liquid Crystal Society), выпускающее свое печатное ства кристаллических тел (анизотропию), стали называть жидкими кристаллами или жидкокрис- издание “Liquid Crystals Today”. Все эти события таллическими. ЖК-вещества часто еще называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК-фазу – ме- В этом случае плазма может рассматриваться как пятое состояние вещества.

зофазой (от греческого “мезос” – промежуточный).

, ‹11, происходили на наших глазах в 70–80-х годах, но по- самые разнообразные вещества, имеющие молекуиск и исследование новых ЖК-систем активно про- лы более сложной формы (диски, пластины и др.) должаются и сейчас. Что же представляют собой эти Молекулы ЖК-соединений очень часто называют необычные кристаллы и каковы особые свойства, мезогенами, а группировки или фрагменты молесделавшие их сегодня практически незаменимыми кул, способствующие формированию ЖК-фазы, – мезогенными группами.

В табл. 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов – каламитиков, а также химические форСейчас известно уже около сотни тысяч органи- мулы дискообразных (дискотики) и планкообразческих веществ, которые могут находиться в ЖК- ных мезогенов (санидики) (от греческого “sanidis” – состоянии, и число таких соединений непрерывно планка). Как видно из табл. 1, среди мезогенных растет. Если в первые десятилетия после открытия групп чаще всего встречаются бензольные кольца, жидких кристаллов основными представителями связанные непосредственно друг с другом или с этих соединений являлись только вещества, состоя- помощью различных химических группировок щие из асимметричных молекул стержнеобразной (–CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO– и др.). Харакформы, – так называемые каламитики (от гречес- терной особенностью всех ЖК-соединений являеткого “каламис” – тростник), то впоследствии было ся асимметричная форма молекул, обеспечиваюобнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить щая анизотропию поляризуемости и тенденцию к Таблица 1. Типичные примеры химических соединений, образующих жидкокристаллическую фазу Стержнеобразные мезогены (каламитики) Дискотические мезогены (дискотики) R R R CH3O CH N C4HO C R C O O O O R O C C O R R R O O CH3O N+ N OCHO O C OR C RR O R = R CnH2n + 1 CnH2n + 1O, CnH2n + 1COO,, CH3O CH CH COOH CnH2n + 1 COO Планкообразные мезогены (санидики) CH3(CH2)7CH CH(CH2)7COOK CH3 CH3 R1 R1 O R2 O CH( )p NH NH CC CH (CH2)3 CH O CHCHR1 R1 RRCO O = R1 CH3(CH2)n O C n = 7–= R2 CH3(CH2)n O.. расположению молекул преимущественно парал- каждом слое могут располагаться как перпендикулельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и лярно плоскости слоя (ортогональные смектики), санидики) и коротких (дискотики) осей. так и под некоторым углом (наклонные смектики).

Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который ‰ ‡ обычно обозначается вектором n (рис. 2, а).

В зависимости от характера расположения молеНематический тип2 жидких кристаллов (нематикул согласно классификации, предложенной еще ки) характеризуется наличием только одномерного Фриделем, различают три основных типа структур ориентационного порядка длинных (каламитики) ЖК-соединений: смектический, нематический и хоили коротких (дискотики) осей молекул (рис. 2, б и г лестерический. Указанные типы структур относятся соответственно). При этом центры тяжести молекул к так называемым термотропным жидким кристалрасположены в пространстве хаотично, что свиделам, образование которых осуществляется только тельствует об отсутствии трансляционного порядка.

при термическом воздействии на вещество (нагреНаиболее сложный тип упорядочения молекул вание или охлаждение). На рис. 2 показаны схемы жидких кристаллов холестерический (холестерики), расположения стержне- и дискообразных молекул в образуемый хиральными (оптически активными) трех перечисленных структурных модификациях молекулами, содержащими асимметрический атом жидких кристаллов.





углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркальа в z но-симметричных молекул нематиков. Примером, иллюстрирующим отсутствие зеркальной симметрии, могут служить, например, левая и правая руки n человека, которые мы никогда не можем совместить друг с другом. Впервые холестерическая мезофаза наблюдалась для производных холестерина, откуда и произошло ее название. Холестерики во P многих отношениях подобны нематикам, в которых б реализуется одномерный ориентационный порядок; они образуются также при добавлении небольn ших количеств хиральных соединений (1–2 мол. %) к нематикам. Как видно из рис. 2, в, в этом случае дополнительно реализуется спиральная закрученность молекул, и очень часто холестерик называют закрученным нематиком.

n Периодическая спиральная структура холестериков определяет их уникальную особенность – г способность селективно отражать падающий свет, “работая” в этом случае как дифракционная решетка. При фиксированном угле отражения условия интерференции выполняются только для лучей одного цвета, и слой (или пленка) холестерика кажется окрашенным в один цвет. Этот цвет определяется шагом спирали Р, который при нормальном угле паРис. 2. Основные типы расположения стержнедения света простым образом связан с максимумом образных (а–в) и дискообразных (г) молекул в длины волны отраженного света max:

жидких кристаллах: а – смектическая фаза, б – нематическая, в – холестерическая, г – дискотичесP = max/n, (1) кая (n – директор).

где n – показатель преломления холестерика. Этот эффект избирательного отражения пленкой холесСмектический тип1 жидких кристаллов (смекти- терика света с определенной длиной волны получил ки) ближе всего к истинно кристаллическим телам.

название селективного отражения. В зависимости Молекулы располагаются в слоях, и их центры тя- от величины шага спирали, который определяетжести подвижны в двух измерениях (на смектичес- ся химической природой холестерика, max может кой плоскости). При этом длинные оси молекул в Свое название нематическая фаза получила от греческого слова “нема” – нить. Нити – это разрывы оптической Название этого типа жидких кристаллов происходит от непрерывности среды в тонком слое нематика, наблюдагреческого слова “смегма” – мыло. Смектические мезо- емые с помощью оптического поляризационного микрофазы сначала были найдены у мылоподобных веществ. скопа.

, ‹11, а располагаться в видимой, а также в ИК- и УФ-областях спектра, определяя широкие области использования оптических свойств холестериков, о чем пойдет речь несколько позже.

Любой из трех типов мезофаз рассматривается обычно как непрерывная анизотропная среда, где в небольших по размерам микрообъемах (их часто называют роями или доменами), состоящих, как правило, из 104–105 молекул, молекулы ориентированы параллельно друг другу.

Обратимся теперь к макроскопической структуре жидких кристаллов, которую чаще всего называют текстурой, понимая под этим совокупность структурных деталей образца жидкого кристалла, помещенного между двумя стеклами и исследуемого с б помощью оптического поляризационного микроскопа. Каждый тип жидкого кристалла самопроизвольно образует свои характерные текстуры, по которым их часто удается идентифицировать. Как правило, текстуры жидких кристаллов настолько “фотогеничны”, что их красивые микрофотографии часто помещают на обложках научных журналов и научно-популярных изданий. Мы ограничимся рассмотрением лишь трех основных типов текстур.

Нематические жидкие кристаллы характеризуются так называемой шлирен-текстурой (рис. 3, а), представляющей собой систему тонких нитевидных линий (откуда, собственно, и произошло название в нематической мезофазы) и точек с нитеобразными черными “хвостами”. Эти линии называют дисклинациями (от греческого “клине” – наклон). Они представляют собой места резкого изменения направления ориентации длинных осей молекул. Характерной текстурой смектиков является веерная текстура, которая во многом напоминает кристаллы обычных твердых тел (рис. 3, б), что подчеркивает наибольшую аналогию в структурной организации двумерно-упорядоченных смектиков и трехмерноупорядоченных кристаллов. Неориентированные холестерики образуют конфокальную текстуру, которая состоит из отдельных и связанных между собой сложных образований, называемых конфокальными доменами (рис. 3, в).

Рис. 3. Типичные текстуры нематических (а), Важно отметить, что все рассмотренные текстусмектических (б) и холестерических (в) жидких ры чрезвычайно лабильны и легко подвергаются кристаллов: а – шлирен, б – веерная, в – конфоструктурным перестройкам под действием неболькальная текстуры.

ших внешних воздействий (механические напряжения, электрические поля, температура и др.).

странены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы со ‰ ‡ стоят из двух частей: полярной “головки” (СООНгруппа) и углеводородного “хвоста” [CH3(CH2)n–].

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.