1.1. Молекулярная структура твердых тел, полимеров и жидких кристаллов

Все твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. Вещество, у которого частицы располагаются в строго определенном порядке, характерном для данного вещества, называются кристаллическими. Особенностью кристаллических тел является анизотропия, то есть зависимость физических свойств от направления, в котором эти явления наблюдаются. Одни кристаллы обладают различной механической прочностью, другие по разным направлениям имеют отличия в оптических свойствах и т.п. Большинство веществ в природе имеют кристаллическое строение. Аморфные тела изотропны, то есть физические свойства данных тел по всем направлениям одинаковы (валидол и т.д.).

Различие между кристаллическими и аморфными телами отчетливо проявляется при плавлении. Кристаллические вещества имеют температуру плавления, которая считается постоянной при нагревании вещества. В данном случае тепловая энергия идет на разрушение кристаллической решетки. Таким образом, температурой плавления называется температура, при которой твердая фаза находится в динамическом равновесии с энергией плавления. При кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, которое было поглощено при плавлении. Температура расплава повышается до температуры плавления.

При нагревании аморфного вещества его температура все время повышается. Происходит размягчение вещества. Уменьшается его вязкость. Вещество постепенно из твердого превращается в жидкое. Определенных температур плавления у аморфных тел нет. При охлаждении аморфные тела постепенно затвердевают. Увеличивается их вязкость. Поэтому аморфные вещества называют переохлажденными жидкостями.

Обратимся к кристаллам. В зависимости от природы вещества, его кристаллической решетки, кристаллы делятся на атомные, ионные, металлические и молекулярные.

Для оценки параметров кристаллических решеток, для изучения их молекулярной структуры используется метод электронографии и рентгеноструктурного анализа. На основании этих методов было доказано, что простые элементарные вещества имеют атомную решетку. Молекулярные силы в них образуются в результате обмена электронами и образования между атомами общих электронных оболочек.

Два электрона от разных атомов с противоположно направленными силами спариваются на одной орбите и связывают ядра этих атомов силой притяжения. Между атомами образуется обменная, или ковалентная, связь, которая характеризуется высокой прочностью. Такая связь характерна для органических веществ. Как правило, вещества с ковалентной связью атомов отличаются твердостью, высокой температурой плавления и малой растворимостью. К таким веществам относятся ряд активных фармакологических веществ: стрептоцид, кристаллический пенициллин и т.д.

В веществах с ионным строением каждый ион связан с окружающими его ионами противоположного знака силами электростатического притяжения. Вещества с таким строением тверды, хрупки, имеют высокую температуру плавления и хорошо растворимы в воде. Примером может служить поваренная соль с кубической пространственной решеткой.

В металлах пространственная решетка состоит из атомов, потерявших наибольшее число связанных с ядром внешних электронов, то есть состоит из ионов. Оторвавшиеся электроны называются свободными и образуют «электронный газ». Наличие в металлах свободных электронов обусловливает их высокую тепло- и электропроводность.

Взаимосвязь между молекулами и ионами образуется вследствие действия сил Ван-Дер-Ваальса. Это наиболее универсальные в природе силы, которые встречаются не только у твердых тел, но и у жидкостей органической природы.

Биологические жидкости животных и человека по своей молекулярной структуре близки к жидким кристаллам. Жидкими кристаллами называются вещества, которые обладают свойствами жидкостей и кристаллов. По своим механическим свойствам эти вещества похожи на жидкости, так как обладают свойствам текучести. По оптическим свойствам жидкие кристаллы ведут себя как анизотропные вещества - кристаллы. Они вращают плоскость поляризации, обнаруживают двойное лучепреломление. Чаще всего жидкокристаллические свойства жидкие кристаллы проявляют в определенном температурном интервале, выше которого они находятся в аморфно-жидком состоянии, а ниже - в твердокристаллическом.

По молекулярной упорядоченности кристаллы делятся на нематические и смектические. В первых молекулы ориентированы параллельно, а центры расположены беспорядочно, а во вторых молекулы располагаются параллельными упорядоченными слоями. Особый класс составляют кристаллы холестерического типа. Молекулы у таких кристаллов, как и в смектических, собраны в слои. Однако внутри каждого слоя параллельное расположение осей молекул напоминает нематическое состояние.

Молекулярная структура холестерических жидких кристаллов очень чувствительна к любому внешнему воздействию. Малое возмущение может нарушить слабые межмолекулярные силы, что приводит к заметному изменению оптических свойств. В медицине это позволяет фиксировать расположение вен, артерий и других образований, имеющих иную теплоотдачу, чем у окружающей среды. Исследование жидких кристаллов в живых организмах - сверхактуальная перспективная область, так как структура гемоглобина, а также ряда других органических веществ, очень схожа с молекулярным строением жидких кристаллов.

В настоящее время в медицине получили широкое применение полимеры. Полимерами называются высокомолекулярные соединения, состоящие из цепочечного соединения молекул, длина которых достигает нескольких микрон.

Молекулы полимеров состоят из большого числа (до десятка тысяч) одинаковых звеньев, мономеров, представляющих группу из небольшого числа атомов. Полимеры получаются с помощью полимеризации или поликонденсации. К полимерам можно отнести многие органические вещества - крахмал, клетчатка, белок, каучук и другие, а также искусственные - полиэтилен, полистирол, плексиглас и др.

При обычной температуре полимеры могут являться твердыми телами или жидкостями. Твердые полимеры могут иметь как кристаллическое, так и аморфное строение. Они имеют исключительно благоприятные механические свойства (прочность и эластичность), которые связаны с их строением.

Полимеры легко обрабатываются путем давления (спрессовывания). Они применяются для изготовления медицинских инструментов, протезов кровеносных сосудов, клапанов сердца и т.д. Жидкие полимеры используются в качестве заменителя плазмы.