Часть 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Раздел 6 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА В КОНДЕНСИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ

6.4. Структура и свойства жидких кристаллов

В конце XIX в. были открыты вещества, внутренняя структура которых в жидком состоянии имела свойства, характерные как для жидкостей (большая текучесть, способность находиться в краплеподібному состоянии, слияние капель при столкновении), так и для твердых тел (анизотропия). Такое состояние веществ было названо мезоморфним, что означает состояние с промежуточной структурой, а сами вещества позже стали называть жидкими кристаллами. Случаются они весьма часто. Из двухсот заново синтезированных веществ по меньшей мере одна - жидкокристаллическая. Сейчас количество жидких кристаллов превышает 3000.

В 1888 г. ботаник Ф. Рейнітцер (Австрия) опубликовал свои наблюдения о поведении синтезированного им холестерилбензоату при изменении температуры. Кристаллы этого вещества плавились за температуры 145,5 °С и превращались в мутную жидкость. Эта жидкость становилась прозрачной за температуры 175,5 °С и такой оставалась при дальнейшем повышении температуры.

О. Леман (Германия) изучил эту вещество с помощью поляризационного микроскопа и установил, что мутная фаза оптически анизотропная. Препарат составил совокупность хаотически ориентированных микроскопических участков спонтанной оптической анизотропии. Рассеяние света на границе этих участков приводило мутность препарата. Позже О. Леман установил, что такие же свойства присущи и другим соединениям: n-азоксианізолу, n-азоксифенетолу, этиловому эфиру n-азоксибензойної кислоты.

Сам факт существования вещества в жидкокристаллическом состоянии ставился под сомнение еще в течение 20 лет. Однако многочисленные исследования А. Лемана, Г. Шенка и других ученых убедительно доказали, что жидкокристаллический состояние является самостоятельным термодинамическим состоянием вещества, а жидкие кристаллы отличаются от обычных жидкостей не только своими оптическими свойствами, но и электрическими, магнитными и т.д. О. Леман поделил жидкие кристаллы на два вида: «жидкие кристаллы», вязкость которых близка к вязкости воды, и «текучие кристаллы», вязкость которых превышает вязкость первых в 10 раз.

Ж. Фридель, как и О. Леман, различал два жидкокристаллических состояния. Для них он ввел новые термины: «смектпичний» и «нематичний» состояния. Они объединяются общим названием - «мезоморфный» состояние. Слово «смектичний» происходит от греческого слова «смегма» - мыло, поскольку этот состояние присущ многим милам, а «нематичний» - от греческого «нема» - нить: для веществ в этом состоянии под микроскопом наблюдаются тонкие подвижные нити. Термин «мезоморфный» («мезо» означает промежуточный) указывает на то, что смектичному и нематичному состояниям свойственна молекулярная упорядоченность, промежуточная между упорядоченностью молекул в кристаллах и аморфных телах.

Следует также отметить, что мезофази могут возникать не только при нагревании или охлаждении определенных органических веществ, но и при растворении неорганических и органических соединений в определенных растворителях. Такие жидкие кристаллы называют ліотропними, в отличие от термотропних. К ліотропних жидких кристаллов относятся, например, водные системы многих мыл, некоторых полипептидов и др. С увеличением концентрации растворителя система становится сначала смектичною, потом нематичною и, наконец, изотропной жидкостью. Многие вещества образуют жидкокристаллический состояние только одного типа.

Жидкие кристаллы долгое время не применялись в технике. Начиная с середины 60-х годов интерес к жидких кристаллов небывало возрос в связи с успешным использованием их в оптико- и микроэлектронике, в различных индикаторных устройствах и т. д. За последние десятилетия были созданы основы физики жидких кристаллов, получены новые типы жидких кристаллов, изучены их свойства, которые все шире применяются в науке и технике.

Теоретически и экспериментально доказано, что жидкокристаллическое состояние вещества является самостоятельным термодинамическим состоянием. Итак, можно условно отметить участок его существование на диаграмме состояния (рис. 6.8).

Рис. 6.8

В настоящее время общепринятой является класифіація жидких кристаллов на три основных состояния: нематичний, холестеричний и смектичний.