Основные научные принципы

По способу получения различают термотропные и лиотропные жидкие кристаллы. Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении твердых кристаллов в определенных растворителях. К ним относятся многие коллоидные системы. Существует много типов лиотропных жидкокристаллических текстур. Их многообразие объясняется различной внутренней молекулярной структурой, которая является более сложной, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы — мицеллы. Мицеллы могут быть пластинчатыми, цилиндрическими, сферическими или прямоугольными.

Термотропные жидкие кристаллы — это вещества, для которых мезоморфное состояние характерно в определенном интервале температур. Ниже этого интервала вещество является твердым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Такие жидкие кристаллы образуются при нагревании некоторых твердых кристаллов (мезогенных): сначала происходит переход в жидкий кристалл, причем может происходить последовательно переход из одной модификации в следующую, т. е. в жидких кристаллах проявляется полиморфизм. Каждая мезофаза существует в определенном температурном интервале. У разных веществ этот интервал различен. В настоящее время известны соединения, имеющие жидкокристаллическую фазу в интервале от отрицательных температур до 300-400 оС. Структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твердокристаллическая фаза — смектическая — нематическая — аморфно-жидкая. Термотропные жидкие кристаллы можно получить также в результате охлаждения изотропной жидкости. Эти переходы являются фазовыми переходами первого рода (с выделением теплоты фазового перехода). Теплота перехода жидкого кристалла в аморфную жидкость в десятки раз меньше теплоты плавления органических твердых кристаллов.

Взаимное расположение молекул в жидких кристаллах является промежуточным между твердыми кристаллами, где существует трехмерный координационный дальний порядок (упорядоченность в расположении центров тяжести молекул) и ориентационный дальний порядок (упорядоченность в ориентации молекул), и аморфными жидкостями, в которых дальний порядок полностью отсутствует. В макроскопических образцах жидких кристаллов образуются области размером от 10-5 до 10-2 см с соответствующей данному жидкому кристаллу упорядоченностью. В жидком кристалле возникает совокупность областей с однородной молекулярной ориентацией доменов, ориентированных хаотически или закономерно, т. е. образуется жидкокристаллическая текстура.

В жидкокристаллическом состоянии могут находиться некоторые органические вещества, состоящие из молекул удлиненной формы (в виде палочек или вытянутых пластинок), имеющие параллельную укладку таких молекул. Значительную часть жидких кристаллов составляют соединения ароматического ряда, т. е. соединения, молекулы которых содержат бензольные кольца. Существуют «застеклованные» жидкие кристаллы, получающиеся в результате переохлаждения. В настоящее время известно несколько тысяч органических соединений, способных находиться в мезоморфном состоянии. Среди них есть и такие вещества, у которых температурный интервал существования включает комнатную температуру.

В большом объеме жидкие кристаллы интенсивно рассеивают свет и выглядят мутными. Это обусловлено рассеянием света на неоднородностях — ориентационных флуктуациях, а также границах доменов и дисинклинациях (аналог дислокаций в твердых кристаллах). Если применить ориентирующее воздействие на тонкий слой жидкого кристалла, то можно получить один большой домен.

Молекулярные силы, обеспечивающие упорядоченную структуру жидкого кристалла, малы. Поэтому жидкие кристаллы легко изменяют структуру под действием различных внешних факторов (температуры, давления, излучения, электрических и магнитных полей и т. д.), что приводит к изменению их оптических, электрических и других свойств. Эта зависимость, в свою очередь, открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств различного назначения. В отличие от твердых кристаллов, у которых для управления, например, оптическими свойствами используются напряжения в сотни и тысячи вольт, в жидких кристаллах достаточно использование напряжения порядка 2-20 в. Жидкие кристаллы являются диамагнитными материалами. В магнитном поле напряженностью H у них возникает магнитный момент I, направленный противоположно H. По электрическим свойствам жидкие кристаллы относятся к полярным диэлектрикам с невысоким удельным сопротивлением (r=~106-1010 Ом.м).

Понятием «жидкие кристаллы» обычно называют большое количество жидкокристаллических фаз с различными структурой и свойствами. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три типа: смектические, нематические и холестерические. Тип кристаллов характеризует их строение на молекулярном уровне. Нематическим и смектическим жидким кристаллам свойственно параллельное расположение молекул. Известны некоторые промежуточные типы упорядоченности между смектическими и нематическими типами. Например, жидкие кристаллы из дискообразных молекул, уложенных стопками в столбики, образующие двухмерную жидкую кристаллическую структуру.

Жидкие кристаллы, которые образуются при нагревании твердого вещества, называются термотропными. Область их существования имеет определенный температурный интервал, ограниченный двумя точками плавления вещества. В одной точке происходит переход твердого вещества в жидкий кристалл, в другой — жидкого кристалла в изотропную жидкость. Для одних веществ температурный интервал довольно большой. Так, для n-пропил-n-азоксициннамата он находится в пределах 123 ... 243 "С. Для других, как например, для метилбензаль-n-аминобензол-n-оксибензоата, не превышает нескольких градусов (примерно 3 °С).

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 1,2·10ˆ5 Дж/кг, а жидкого кристалла — только 2,9·10ˆ 3 Дж/кг.

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

Известны вещества, способные переходить в жидкокристаллическое состояние только при участии молекул растворителя. Это лиотропные кристаллы. Они, как правило, представляют собой сложную систему из двух и более компонентов. К лиотропным кристаллам относятся водные растворы многих видов мыл. В быту иногда используется жидкое калийное мыло. Этот водноспиртовой раствор алеата калия также принадлежит к семейству жидких кристаллов.

Что же определяет необычные свойства жидкокристаллических веществ? Ответ можно получить, исследуя их структуры. Молекулы жидких кристаллов имеют удлиненную форму. Это позволяет для их описания воспользоваться моделью жесткого стержня. В зависимости от плотности компоновки и ориентации молекул-стержней структуры жидких кристаллов делятся на несколько групп: нетематическую, холестерическую и смектическую.