жидкий кристалл

Термин

жидкий кристалл

Термин на английском

liquid crystal

Синонимы

мезофаза

Аббревиатуры

Связанные термины

анизотропия, критическая концентрация мицеллообразования

Определение

разновидность жидкого состояния вещества, которая характеризуется определенным позиционным и / или ориентационным упорядочением молекул, обычно органических. Это состояние сочетает присущую жидкости текучесть с анизотропией ряда свойств, характерной для кристаллов.

Описание

По степени молекулярной упорядоченности жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между твердыми кристаллами, в которых существует трехмерный дальний порядок, и жидкостями, имеющими только ближний порядок в расположении частиц. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры ("частичном плавлении" твердой фазы), называются термотропными. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении концентрации поверхностно - активных веществ в растворителе, являются лиотропными.

Жидкокристаллическое состояние часто называют мезоморфным («мезос» - промежуточный), а само вещество - мезофазой. Наиболее часто жидкокристаллическое состояние встречается у органических веществ, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму. Причина образования жидких кристаллов - существенно анизотропная форма молекул (цепочечная или плоская), что определяет приблизительную параллельность их укладки.

Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностями внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. В зависимости от характера расположения молекул, согласно классификации, предложенной Фриделем (Франция), различают три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические; в последнее время выделяют также дискотические фазы.

Смектические (от греч. «смегма» - мыло, мазь) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую сигарообразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла - анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

Второй тип термотропных жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. «нема» - нить). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо прилипают к стенкам сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят «причесанными» и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее, они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают «муаровую» текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поля так же, как железные опилки, располагаясь упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Холестерические жидкие кристаллы - это, в основном, производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои так же, как у смектических, но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают необычными оптическими свойствами. Обычный свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он приобретает яркую окраску.

Дискотические жидкие кристаллы, открытые Чандрасекаром (США) и др., являются системой жидких столбиков, образующих двумерную решетку.

Лиотропные жидкие кристаллы состоят из двух или более компонентов. Обычно один из компонентов - вода, а другой - амфифил, содержащий полярную головную группу, которая присоединена к одной или нескольким длинным цепям углеводородов. Широко известный пример такой системы - раствор мыла (додецилсульфата натрия) в воде.

С увеличением концентрации воды может возникать несколько различных мезофаз. В ламеллярной фазе вода заполняет пространство между полярными группами соседних слоев, а углеводородные "хвосты", имеющие неупорядоченную ориентацию, находятся в неполярном окружении. В кубической, или изотропновязкой, фазе плоские слои изгибаются и образуют сферические структурные единицы, причем полярные головки молекул расположены на поверхности сферы, а углеводородные цепи находятся внутри нее. При упаковке сфер получается пространственная кубическая объемноцентрированная решетка, а вода занимает пространство между отдельными сферами. В гексагональной, или средней, фазе слои свернуты в цилиндры. Цилиндрические структурные единицы неопределенной длины располагаются параллельно друг другу, образуя гексагональную упаковку. В некоторых системах наблюдался также нематический порядок упаковки. Вероятно, существует цилиндрическая сверхструктура, сходная с гексагональной кристаллической фазой, однако убедительные доказательства этого факта пока отсутствуют. В смесях, богатых гидрофобными компонентами, например, в системе "аэрозоль ОТ - вода", могут появляться обращенная средняя или обращенная изотропновязкая фазы, в которых концевые углеводородные группы обращены в сторону гидрофобной среды, тогда как вода заключена в ядре.  Жидкие кристаллы применяются  в дисплеях часов, калькуляторов, персональных компьютеров и являются перспективным материалом для применения в оптических компьютерах. Жидкие кристаллы открыты австрийским ботаником Ф. Рейнитцером и немецким физиком О. Леманом.

Авторы

• Гудилин Евгений Алексеевич, д.х.н.
• Шляхтин Олег Александрович, к.х.н.

Ссылки

1. Полиядерные ароматические соединения: от синтеза к использованию / Нанометр, 2007 - URL: http://www.nanometer.ru/2007/10/15/11924491987308_4857.html (Дата обращения: 28.10.2009)
2. "Жидкие кристаллы прекрасны и загадочны, и поэтому я их люблю" / Нанометр, 2007 - URL: http://www.nanometer.ru/2007/08/09/liquid_crystal_3905.html (Дата обращения: 28.10.2009)
3. Наноазбука: кристаллы, которые можно налить / Нанометр, 2007 - URL: http://www.nanometer.ru/2007/07/21/liquid_crystal_3839.html (Дата обращения: 28.10.2009)

Иллюстрации

Теги

Разделы

Нелинейные оптические преобразователи и волноводы
Наноструктурированные полимеры, волокна и композиты на их основе
Наноструктурированные керамические и композиционные материалы и покрытия
Темплейтные техники в жидких средах (химическое и электроосаждение)
Иммобилизация мицелл и биологических нанообъектов
Упорядоченные ансамбли (многослойные и многополосные структуры и сетки) одинаковых твердых элементов на подложках
Органические и полимерные наноматериалы и волокна
Методы обработки и формирования структур с прецизионным позиционированием (нанолитография, нанообработка, нанопечать, наноструйная техника и другое)
Нанотехнологии в фотонике и оптоэлектронике, компонентная база и устройства
Молекулярная электроника и устройства на ее основе
Наноэлектроника, компонентная база и устройства
Искусственные (синтетические) низкоразмерные объекты

(Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО»)