5.Методы получения жидких кристаллов.

Есть два способа получения жидких кристаллов. Одни твёрдые вещества переходят в жидкокристаллическое состояние при нагревании, другие — при растворении.

Жидкие кристаллы, которые образуются при нагревании твёрдого вещества, называются термотропными. Область их существования имеет определённый температурный интервал, ограниченный двумя точками плавления вещества. В одной точке происходит переход твердого вещества в жидкий кристалл, в другой — жидкого кристалла в изотропную жидкость.

Как известно, в момент плавления вещество усиленно потребляет энергию. У термотропных кристаллов есть своя особенность. В точке плавления твердого вещества энергии поглощается во много раз больше, чем на границе перехода жидкий кристалл — изотропная жидкость. Например, для n-азоксианизола удельная теплота плавления твердого кристалла составляет 1,2•10⁵ Дж/кг, а жидкого кристалла — только 2,9•10³ Дж/кг.

В семействе термотропных кристаллов есть свои «странные дети». Они рождаются в необычных условиях — при охлаждении изотропной жидкости. К ним относится холестерилацетат. Его твёрдые кристаллы плавятся при температуре 114 ⁰С, сразу превращаясь в изотропную жидкость. Но если изотропный расплав быстро охладить до температуры 90 ⁰С, он приобретает свойства жидкого кристалла. Интересно, что при медленном охлаждении жидкокристаллическая фаза не возникает.

В отличие от термотропных жидких кристаллов, где формирование определенного типа мезофазы определяется лишь температурой, в лиотропных системах тип структурной организации определяется уже двумя параметрами: концентрацией вещества и температурой. Лиотропные жидкие кристаллы наиболее часто образуются биологическими системами, функционирующими в водных средах. Именно в этих системах в наиболее яркой форме проявляются уникальные особенности жидких кристаллов, сочетающих лабильность с высокой склонностью к самоорганизации. Ограничимся лишь одним примером, относящимся к клеткам и внутриклеточным органеллам, покрытым тонкими высокоупорядоченными оболочками - мембранами. Современные структурные исследования показывают, что мембраны представляют собой типичные лиотропные ламеллярные лабильные ЖК-структуры, составленные из двойного слоя фосфолипидов, в котором "растворены" белки, полисахарилы, холестерин и другие жизненно важные компоненты (рис. г). Такое анизотропное строение мембраны, с одной стороны, позволяет защищать её внутреннюю часть от нежелательных внешних воздействий, а с другой стороны, её "жидкостной" характер обеспечивает высокие транспортные свойства (проницаемость, перенос ионов и др.).

Что же определяет необычные свойства жидкокристаллических веществ? Ответ можно получить, исследуя их структуры.(см. приложение 7).

В зависимости от характера расположения молекул согласно классификации, предложенной ещё Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический, нематический и холестерический. Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение).

Смектический тип кристаллов (смектики – от греч. слова "смегма" – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Смектическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чём пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться “произведением”. Однако эта особенность смектических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

Нематический тип жидких кристаллов характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики) осей молекул. При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.

Название «нематичекий» образовано от греческого слова νήμά - нить. В жидких кристаллах под микроскопом видны тонкие подвижные нити, которые представляют собой дефекты структуры. В идеальном жидком кристалле таких нитей нет. (см. приложение 8).

Наиболее сложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический (холестерики), образуемый хиральными (оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом Карбона. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричных молекул нематиков. Впервые холестерическая мезофаза наблюдалась для производных холестерина, откуда и произошло её название. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационный порядок; они образуются также при добавлении небольших количеств хиральных соединений (1-2 мол. %) к нематикам. Как видно из рис. , в, в этом случае дополнительно реализуется спиральная закрученность молекул, и очень часто холестерик называют закрученным нематиком, а его структура напоминает Вавилонскую башню. Чем вызвана такая структура холестерика? Объяснение заключается в особенности строения молекул, из которых состоят эти вещества. Молекулы холестерика - почти такие же, как в нематической жидкости, но имеют на своём конце небольшой отросток. Этот отросток образуется обычно одним или несколькими атомами, которые выступают из основной плоскости, содержащей подавляющее большинство атомов молекулы. Симметрия молекулы нарушается из-за отростка и напоминает симметрию руки, которая бывает только правой и только левой.

Теперь рассмотрим макроскопическую структуру жидких кристаллов, которую чаще всего называют текстурой, понимая под этим совокупность структурных деталей образца жидкого кристалла, помещённого между двумя стёклами и исследуемого с помощью оптического поляризационного микроскопа. Каждый тип жидкого кристалла самопроизвольно образует свои характерные текстуры, по которым их часто удаётся идентифицировать. Как правило, текстуры жидких кристаллов настолько "фотогеничны", что их красивые микрофотографии часто помешают на обложках научных журналов и научно-популярных изданий. (см. приложение 9).