Жидкие кристаллы
-индивидуальные вещества, которые существуют в мезоморфном состоянии в определённом температурном интервале, ниже которого вещество является твёрдым кристаллом, выше — обычной жидкостью.
Обладают резко выраженной анизотропией (зависимостью физических параметров от направления - характерная особенность всех кристаллов, кроме кубических). Это относится к вязкости, к упругости, к электропроводности, к диэлектрической проницаемости, а также к многим другим параметрам среды. Управлять этими параметрами можно, например, с помощью электрических и магнитных полей. С их помощью можно воспроизвести самые разные оптические эффекты.
Жидкие кристаллы, жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние, состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией свойств). Ж. к. образуют вещества, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Различают термотропные и лиотропные Ж. к.
Взаимное расположение молекул в Ж. к. является промежуточным между твёрдыми кристаллами, где существует трёхмерный 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 (см. Дальний порядок и ближний порядок). По степени молекулярной упорядоченности различают нематические и смектические Ж. к. (терминология Ж. Фриделя, G. Friedel). Нематические Ж. к. (параазоксианизол, растворы синтетических полипептидов) характеризуются ориентацией продольных осей молекул вдоль некоторого направления (дальний ориентацнонный порядок, рис., а). Упорядоченность в ориентации поперечных осей молекул и в расположении их центров тяжести отсутствует. Это обеспечивает свободу поступательных перемещений молекул. Поэтому вязкость вещества в нематической фазе лишь незначительно отличается от вязкости в аморфно-жидком состоянии.
ВИДЫ ЖИДКИХ КРИСТАЛИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ.
Холестерические Ж. к. обладают весьма большой оптической активностью, на два-три порядка превышающей оптическую активность органических жидкостей и твёрдых кристаллов. Холестерические Ж. к. резко изменяют окраску при изменении температуры среды на десятые доли градуса, а также при изменении состава среды на доли процента. Жидкие кристаллы
Существуют также Ж. к. холестерического типа (разновидность нематических Ж. к.). Такие Ж. к. образуют вещества (например, пропиловый эфир холестерина), молекулы которых имеют форму продолговатых пластинок, расположенных параллельно друг другу. Координационный дальний порядок отсутствует. Текучесть вещества обеспечивается поступательным перемещением и вращением молекул в их плоскости.
Некоторые термотропные Ж. к. могут находиться в двух мезоморфных состояниях (см. Полиморфизм). При этом структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твёрдокристаллическая фаза — смектическая — нематическая — аморфно-жидкая и являются фазовыми переходами первого рода (с выделением теплоты фазового перехода). Теплота перехода Ж. к. в аморфную жидкость в десятки раз меньше теплоты плавления органических твёрдых кристаллов
Свойства жидких кристаллов.
В Ж. к. имеет место анизотропия упругости, электропроводности, вязкости, магнитная анизотропия, оптическая анизотропия и др. С ростом температуры анизотропия свойств Ж. к. уменьшается, что обусловлено уменьшением упорядоченности в расположении молекул. В магнитном поле Ж. к. ориентируются так, чтобы их ось симметрии была параллельна силовым линиям магнитного поля. В электрическом поле ориентация оси симметрии может быть как параллельной, так и перпендикулярной силовым линиям поля.
Применение.
Жидкие кристаллы все шире применяются в профессиональной вещательной технике.
. Некоторые жидкости - это особенно характерно для высокомолекулярных органических соединений - при охлаждении, постепенно отвердевая, переходят в аморфное или стеклообразное состояния, в которых сохраняется присущая жидкостям беспорядочность размещения элементов, но проявляется оседлость, характерная для молекул твердых тел. Однако настоящие твердые тела - это кристаллы, в которых место положения любой молекулы по отношению к остальным определено кристаллической системой среды. Это и называют дальним порядком. Здесь все определено по всему объему кристалла: и место для каждого члена, и форма элементарной (кристаллической) ячейки, и форма самого монокристалла. Бывают - с этим мы чаще всего встречаемся - поликристаллические вещества, составленные из множества спаянных мелких кристаллов. Металлы, камни - большая часть неорганических веществ, используемых нами - поликристаллические.
Это затянутое вступление понадобилось, чтобы высветить главную особенность жидких кристаллов, которая попросту не укладывается в ту стройную физическую схему агрегатных состояний вещества, которая расписана выше. Для жидких кристаллов характерна и текучесть, и дальний порядок. Отягощенный повседневным опытом разум очень трудно воспринимает такое, почти невозможное, сочетание. Наука это называет мезофазой, т. е. промежуточной (в данном случае между кристаллической и жидкой фазами агрегатного состояния). Мир неорганической химии подобного не знает. В какой-то мере, особенно при температурах, близких к точке замерзания, жидкокристаллические свойства можно обнаружить у воды.
Термин "холестерические жидкие кристаллы" не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является печально известный холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Поэтому энергетически выгодным для них становится такое размещение, когда длинные оси молекул несколько развернуты. Это условно поясняет рис. 1в. Поэтому к плоскостному размещению добавляется винтообразная структура, ортогональная нематическим плоскостям. Иногда холестерическую структуру размещения называют твист эффектом. Замечу, что холестерин - доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.
Эффекты
Жидкокристаллическое состояние достаточно неустойчиво и по этой причине весьма подвержено внешнему влиянию. Наиболее известно и достаточно давно используется термооптическое явление - зависимость цвета жидкого кристалла от температуры. Термооптические жидкокристаллические пленки способны регистрировать температуру с точностью до долей градуса и используются для контроля тепловых полей. К примеру, в медицине с их помощью можно определить разницу температур различных участков тела и, тем самым, выявить воспаленные области. В промышленности можно вести поиск перегретых участков аппаратуры. Чувствительны жидкие кристаллы и к давлению.
