В школьном курсе физики и химии обычно рассказывают о трёх агрегатных состояниях вещества - жидком, твёрдом и газообразном. Но для ряда веществ существует четвертое агрегатное состояние - нечто среднее между жидким и твердым, которое называют жидкокристаллическим.
В чем принципиальные отличия между жидкостью и кристаллом?
Жидкости обладают подвижностью, текучестью и изотропией свойств.
Что значит "изотропия свойств"? Рассмотрим на примере явления преломления света. Известно, что скорость распространения света зависит от среды, в которой он распространяется. Самой высокой скорость распространения будет в вакууме. При прохождении света через жидкости скорость снижается. Это снижение скорости зависит от природы вещества и характеризуется коэффициентом преломления. Причем в каком бы направлении относительно жидкости мы ни направляли луч света, коэффициент преломления будет одинаковым. Вещества, у которых измеряемые физические свойства не зависят от направления, называют изотропными.
Кристаллы - твёрдые вещества, обладающие внутренней упорядоченностью и анизотропией свойств.
Внутренняя упорядоченность кристаллов обуславливается наличием кристаллической решетки, которая отражает строгую повторяемость структурных частиц кристалла. Строение кристаллов подчиняется законам симметрии, чего нет в жидкостях и газах. Благодаря наличию кристаллической решетки кристаллы являются анизотропными средами. Если располагать кристалл под разными углами относительно падающего на него луча света и измерять коэффициент преломления, то он будет меняться в зависимости от положения кристалла.
Известно, что если нагревать твердое вещество, оно начнет плавиться и перейдет в жидкость. Более ста лет назад австрийский ботаник Ф. Рейнитцер заметил интересную вещь. Он нагревал кристаллический эфир холестерилбензоат, который при 145 °С плавился с образованием мутной жидкости, а она при достижении 179 °С превращалась в прозрачную жидкость. Момент перехода мутной жидкости в прозрачную назвали точкой просветления.
Самое удивительное, что в ходе дальнейших исследований было установлено: мутная жидкость является анизотропной! Получается, что эта жидкость обладала свойствами кристаллов. Именно поэтому такое состояние было названо жидкокристаллическим.
Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.
Также жидкие кристаллы часто называют мезоморфными веществами, а фазу, которая существует между точкой плавления и точкой просветления, - мезо-фазой.
Если жидкость анизотропна, значит её внутреннее строение каким то образом упорядочено. Но как может совмещаться упорядоченность и текучесть? Ведь для того, чтобы свободно перемещаться молекулы жидкости должны разрывать связи с соседними молекулами, менять свое положение, то есть - нарушать порядок! Необходимо разобраться, как устроены жидкие кристаллы.
На самом деле, не все вещества могут образовывать жидкокристаллическую фазу. Эта особенность присуща только веществам, молекулы которых имеют асимметричную форму. Например, молекула того же самого холестерилбензоата имеет вытянутую вдоль одной оси асимметричную форму:
В зависимости от формы молекул жидкие кристаллы делят на: каламитики (стержнеобразные молекулы, как холестерилбензоат), дискотики (дискообразные молекулы) и санидики (планкообразные молекулы).
В кристаллах присутствует трансляционная симметрия. На рисунке ниже красные вектора a и b как раз и являются трансляциями, которые показывают направление и расстояние, через которое будет периодически встречаться определенным образом ориентированная молекула. То есть в кристалле наряду с трансляционным порядком существует еще и ориентационный порядок.
При нагревании кристалла происходит его переход в жидкокристаллическую фазу, и сначала теряется ориентационный порядок; молекулы приобретают достаточную энергию, чтобы начать менять свою ориентацию. При этом молекулы самоорганизуются таким образом, что их наклон становится одинаковым - это энергетически выгодно.
Вектор, указывающий выделенное направление, по которому ориентированы молекулы-мезогены, называют директором.
На рисунке он изображен черными стрелками.
Если повышать температуру медленно, то после потери ориентационного порядка центры тяжести молекул сначала будут оставаться неизменными - трансляционная симметрия еще не потерялась. Такую мезо-фазу называют смектической-С фазой. При дальнейшем нагревании теряется и трансляционный порядок - молекулы покидают свои центры тяжести. Такую фазу называют нематической. Однако не смотря на потерю симметрии, во всех жидкокристаллических фазах остается единая ориентация мезогенов. Директор не пропадает.
Жидкие кристаллы, которые получают нагреванием кристаллов или охлаждением жидкостей, называют термотропными (образуются за счет изменения температуры). Остановимся немного на том, какие термотропные мезо-фазы встречаются.
Смектики - самые упорядоченные жидкие кристаллы. Молекулы располагаются слоями и имеют подвижность в пределах каждого слоя. В нематических кристаллах центры тяжести молекул расположены хаотично (трансляционная симметрия отсутствует). Третий тип мезо-фаз - холестерический - самый сложно организованный. Он представляет собой нематические слои, закрученные в пространстве. При переходе от одного слоя к другому директор поворачивается на малый угол. Расстояние, между слоями, в которых направление директора совпадает, называют шагом спирали.
Помимо термотропных жидких кристаллов существуют лиотропные ЖК. Их получают растворением бифильных веществ в определенных растворителях. Что за бифильные вещества? Это вещества, молекулы которых которые совмещают в себе гидрофильные (растворимость в воде) и гидрофобные (нерастворимость в воде) свойства. Примером таких веществ являются высшие карбоновые кислоты.
Карбоксильная группа -COOH является гидрофильной и может образовывать водородные связи с молекулами воды, благодаря наличию электроотрицательных атомов кислорода. Жирный углеводородный радикал -C17H35 является гидрофобной частью молекулы. Благодаря такому строению бифильные молекулы склонны образовывать мицеллы, растворы которых в определенных концентрациях могут проявлять свойства жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы обладают рядом интереснейших свойств, о которых будет рассказано в дальнейших статьях. Подписывайся на эту ленту =)
