Часть 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Раздел 6 СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА В КОНДЕНСИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ

6.4. Структура и свойства жидких кристаллов

Смектичний состояние жидких кристаллов

Смектичні жидкие кристаллы (смектики, сокращенно обозначают СРК) по своим свойствам ближе к твердому телу, чем НРК. Строение смектичної мезофази схематично изображен на рис. 6.11. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, которые находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Типичным представителем смектиків является этиловый эфир n-азоксибензойної кислоты, смектична мезофаза которого хранится при температурах 114... 120 °С. Его структурная формула такая:

Твердые кристаллы этого эфира плавятся при температуре 114 °С и переходят в жидкие кристаллы смектичного типа, молекулы которых размещены слоями. При температуре 120 °С жидкие кристаллы превращаются в обычную ізотропну жидкость. При снижении температуры жидкокристаллические зародыши выпадают в форме палочек, скорость рост их в осевом направлении примерно в 65 раз больше, чем в радиальном.

Рис. 6.11

Оптические исследования дают возможность определить структуру образцов, не дополняя результаты исследований данными других методов. При исследовании однородного смектичного жидкого кристалла этилового эфира - азоксибензойної кислоты в поляризованном свете (с одним поляризатором) легко обнаружить явление дихроїзму (плеохроїзму). Во время вращения препарат меняет свою окраску от темно-желтого до белого. Дихроизм установлено также для других смектических жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы образуются из тех соединений, молекулы которых имеют удлиненную планкоподібну или пластинчатую форму. Наличие разветвленных молекул с боковыми цепями тормозит возникновение жидких кристаллов. Много веществ, для которых присущ жидкокристаллический состояние, принадлежащих до ароматических соединений. Большинство из них имеют бензольные кольца с замещением в параположенні (в орто - и метаположенні жидкокристаллический состояние не возникает). Склонность к образованию жидких кристаллов возрастает с увеличением количества соединенных бензольных колец. Большое значение имеют группы атомов X, которые сочетают бензольные ядра в цепь

Жидкокристаллический состояние реализуется чаще в соединений с такими Х-группами атомов:

Подобное влияние оказывают и конечные группы Y

Вещества, которые образуют термотропні жидкие кристаллы могут находиться в жидкокристаллическом состоянии только в определенном интервале температур. Ниже границы существования мезофази центры притяжения молекул образуют трехмерную кристаллическую решетку обычного кристалла молекулярного типа. С повышением температуры вещества до температуры плавления происходит фазовый переход твердого тела в жидкий кристалл, при котором исчезает дальний порядок в размещении центров тяжести молекул (координационное плавления), но сохраняется порядок в ориентации молекулярных осей. При этом наблюдается довольно мутная жидкость, которой свойственно сильное двулучепреломления. Это и есть жидкокристаллическое состояние вещества.

Дальнейшее повышение температуры приводит к фазовому переходу, который сопровождается потерей ориентационной порядке, в результате чего возникает изотропна, а следовательно, прозрачная жидкость. Такой фазовый переход называют ориентационным плавлением. Температуру, при которой это происходит, называют температурой просветления. Температуры плавления и просветление определяют интервал температур, в котором мезофаза термодинамически стала.

Отметим, что оба эти переходы (плавления и просветления) являются фазовыми переходами первого рода, на что указывают существование скрытой теплоты перехода и скачкообразное изменение плотности.

Жидким кристаллам свойственно явление полиморфизма, то есть мезогенні соединения могут иметь несколько различных мезофаз. При нагревании или охлаждении вещества, молекулы которой имеют право-левую симметрию, фазовые преобразования в ней от твердых кристаллов (ТК) к изотропной жидкости (иж) происходят обычно по схеме

В веществах, молекулы которых оптически активные, фазовые переходы осуществляются по такой схеме:

Могут быть также другие схемы переходов, но никогда не наблюдается переход Возможности применения жидких кристаллов очень широкие (регистрация температуры и давления в индикаторных устройствах; визуализация тепловых полей в медицинской диагностике и микроэлектронике; устройства отображения информации; неразрушающий контроль деталей; визуализация электромагнитного излучения, полей СВЧ, ультразвуковых волн и т.п.). Исследования в этом направлении, поиск новых материалов на основе жидких кристаллов относятся к важнейшим вопросам, которые определяют прогресс в этой области.