Чикарева Марина Анатольевна, г. Москва,
заместитель директора по УВР,
учитель химии ГБОУ СОШ № 773

Жидкие кристаллы: загадка или реальность?

Загадочное словосочетание «жидкие кристаллы» на сегодняшний день очень актуально, хотя далеко не все себе представляют, что же стоит за этим странным и, казалось бы, противоречивым понятием. Название жидкие кристаллы одновременно интригует и озадачивает. Некоторое время тому назад большой популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название «перстень настроения», который обладал совершенно мистическим свойством реагировать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камня перстня следовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги. Но оказалось, что описанный эффект определяется только температурой пальцев, которая не всегда связана с настроением человека. Пожалуй, именно тогда впервые большинство людей познакомилось с термином «жидкие кристаллы».

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата (рис.1).

Рис.1 Первое жидкокристаллическое соединение — холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурную область существования жидкокристаллического состояния.

При температуре плавления 145⁰C, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 179⁰C становилась прозрачной. В отличие от точки плавления температуру, при которой происходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления. Пораженный этим необычайным явлением, свидетельствующим как будто о двойном плавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбенозоата. Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизатропной, т.е. световые волны в ней распространяются в разных направлениях. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.

С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами, а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греч. «мезос» — промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и по праву на ряду с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.

Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, и число таких соединений непрерывно растет. В среднем каждое из 200 вновь синтезируемых веществ имеет мезофазу. Жидкие кристаллы найдены среди самых разных классов органических веществ: белков, нуклеиновых кислот, липидов. Наибольший класс веществ, существующих в жидкокристаллическом состоянии – это ароматические соединения. Возможность формирования ЖК-фазы определяется наличием в них определенных мезогенных групп:

-СН=N— , —CH=CH— , —N=N—

Характерной особенностью всех ЖК-соединений является асимметричная форма молекул.

До сих пор нет общего принципа систематизации жидких кристаллов. В настоящее время используется классификация по способу расположения молекул:

жидкие кристаллы

термотропные жидкие кристаллы

лиотропные жидкие кристаллы

 нематические ЖК смектические ЖК

цилиндрические ламеллярные

холестерические ЖК гексагональные ЖК

Термотропные жидкие кристаллы образуются при термическом воздействии на вещество (нагревании или охлаждении). При нагревании твердого тела и переходе его в жидкокристаллическое состояние вещество становится мутным, двулучепреломляющим. При дальнейшем нагревании эта мутная анизатропная жидкость превращается в изатропную. Описанные фазовые переходы можно представить так:

нагревание нагревание

твердое тело ЖК жидкость

охлаждение охлаждение

В зависимости от расположения молекул термотропные кристаллы подразделяют ещё на 3 типа: смектики, нематики, холестерики.

Рис. 2. Основные типы расположения стержнеобразных (а-в) молекул в жидких кристаллах: а — смектическая фаза, б — нематическая, в — холестерическая.

В большинстве смектических структур молекулы упакованы слоями, при этом, сохраняется порядок в расположении молекул. Направление преимущественной ориентации осей молекул принято обозначать вектором n.

Отличительной особенностью нематических ЖК является в первую очередь параллельное расположение молекул. Однако они не образуют отдельные слои. Длинные оси молекул лежат вдоль линий, параллельных определенному направлению, но их центры размещены хаотично.

В холестериках молекулы расположены слоями. В пределах каждого слоя ориентационный порядок нематический, но при переходе от одного слоя к другому ось поворачивается на небольшой угол. В результате образуется слоистая спиральная структура. Поэтому можно сказать, что холестерическая структура — это обычная нематическая упаковка с наложенным на неё кручением.

Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении некоторых соединений в определенных растворителях. Среди лиотропных ЖК выделяют вещества с цилиндрической, гексагональной и ламеллярной структурой. При растворении таких кристаллов в воде образуются, как правило, мицеллярные растворы. Современные структурные исследования показывают, что мембраны, покрывающие некоторые внутриклеточные органеллы, представляют собой типичные лиотропные ЖК-структуры, составленные из двойного слоя фосфолипидов, в котором «растворены» белки.

Рис.3. Некоторые типы лиотропных жидкокристаллических структур: а — цилиндрическая мицелла, б — гексагональная упаковка цилиндрических мицелл, в — ламеллярный смектический жидкий кристалл; г — строение мембраны, состоящей из фосфолипидного двойного слоя ( 1 ) и молекул белков (2).

В вопросах формирования жидких кристаллов есть очень много неясного. Но известно, что многие белки, нуклеиновые кислоты, липиды и полисахариды в воде образуют ЖК-структуры, например:

— из липидов: лецитин, сложные эфиры холестерина, фосфолипиды;

— из нуклеиновых кислот: ДНК и РНК;

— из белков и полипептидов: гемоглобин, трипсин;

— из полисахаридов: хитин.

Имеется ряд экспериментальных фактов, подтверждающих наличие жидкокристаллических структур в растениях. Это относится не только к хлоропластам, но и к хлорофиллу.

Большинство применений жидких кристаллов связано с управлением их свойствами путем приложения к ним электрических воздействий, которое вызывает изменение ориентации молекул. Простейшим типом прибора для электрических исследований жидких кристаллов является электрооптическая ячейка, устройство которой изображено на рис.4.

Рис. 4. Электрооптическая ячейка с планарной ориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов в ячейке: б — гомеотропная и в — твист-ориентация. 1 — слой жидкого кристалла. 2 — стеклянные пластинки, 3 — токопроводящий слой, 4 — диэлектрическая прокладка, 5 — поляризатор, 6 — источник электрического напряжения.

Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным на них прозрачным проводящим слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками заполняется жидким кристаллом, и вся «сандвичевая» конструкция по периметру «запаивается» герметикой или другим изолирующим материалом . Полученная таким образом ячейка может быть помешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрического поля. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшого электрического напряжения (1,5—3 В) вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла.

Рис. 5. Схема работы ЖК-индикатора на твист-эффекте: а — до включения электрического поля, б — после включения поля, в — семисегментной буквенно-цифровой электрод, управляемый электрическим полем.

При отсутствии электрического поля (то есть в выключенном состоянии) свет, «следуя» твист-ориентации нематика, меняет свое направление в соответствии с оптической осью нематика и на выходе будет иметь то же направление поляризации, что и нижний поляризатор (см. рис. 5а). Другими словами, свет отразится от зеркала, и мы увидим светлый фон. При включении электрического поля для нематика длинные оси молекул повернутся в направлении, перпендикулярном к электродам, и спиральная структура разрушится (рис. 5б). Теперь свет, не изменив направления исходной поляризации, совпадающей с поляризацией верхнего поляризатора, будет иметь направление поляризации, противоположное нижнему поляроиду, а они, как видно на рис. 5б, находятся в скрещенном положении. В этом случае свет не дойдет до зеркала, и мы увидим темный фон. Другими словами, включая поле, можно рисовать любые темные символы (буквы, цифры) на светлом фоне, используя, например, простую семисегментную систему электродов (рис. 5в).

Таков принцип действия любого ЖК-индикатора. Основными преимуществами этих индикаторов являются низкие управляющие напряжения (1,5-5 В), малые потребляемые мощности (1—10 мкВт), высокая контрастность изображения, легкость встраивания в любые электронные схемы, надежность в работе и относительная дешевизна.

Интерес к жидким кристаллам, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Именно ЖК-индикаторы являются основой современных калькуляторов, компьютеров, плоских телевизоров. Велико также применение жидких кристаллов в медицине. Они используются для измерения температуры, в невропатологии, онкологии, хирургии, педиатрии. Одно из принципиальных преимуществ ЖК – это возможность точно измерять с их помощью температуру поверхности и отмечать границы областей с повышенной температурой.

Жидкие кристаллы рассматриваются в курсе химии 9 класса в средней общеобразовательной школе по учебнику Л.С.Гузей, Р.П.Суровцева в разделе «Кристаллические решетки». Несмотря на большое значение данной темы, на её изучение отводится 1 час. У школьников этот вопрос вызывает непосредственный интерес, поскольку они ежедневно сталкиваются с жидкими кристаллами, сидя за компьютером. Поэтому мне хотелось бы внести некоторые коррективы в изучении этой темы в школе. Я считаю необходимо дополнить материал, изложенный в параграфе, новыми схемами и рисунками о классификации ЖК. Заранее можно дать нескольким учащимся задания подготовить небольшие сообщения на темы «История открытия ЖК», «Области применения жидких кристаллов».

Краткий конспект урока на тему «Жидкие кристаллы»

1.Чтобы заинтересовать учащихся, изучение материала можно начать с рассказа учителем про перстень настроения.

2.После этого следует ввести понятие «жидкие кристаллы». Школьникам можно дать упрощенное определение этого понятия: жидким кристаллом называется вещество, сочетающее в себе свойства жидкости ( текучесть) и свойство кристалла (определенное расположение молекул).

3.Вопрос об истории открытия жидких кристаллов рассматривается при чтении учащимися доклада.

4.Далее следует рассмотреть классификацию жидких кристаллов на термотропные и лиотропные, поскольку в параграфе этого нет.

5.Далее следует рассмотреть, чем отличаются эти структуры друг от друга. Здесь можно воспользоваться рисунком 2.

6.Вопрос о свойствах жидких кристаллов также очень сложный. Учащимся необходимо сказать, что ЖК необычайно чувствительны воздействию электрического и магнитного полей, что открывает возможность управления ими.

7.Применение жидких кристаллов учащиеся узнают при чтении докладов.

8.Следует подвести итог урока и сделать акцент на том, что жидкие кристаллы не до конца изучены.

В заключение хотелось бы сказать о том, что мир жидких кристаллов бесконечно велик и привлекает внимание не только ученых, но и исследователей-практиков, работающих в самых разных отраслях современной техники.

Список литературы:

1. Америк Ю.Б., Кренцель Б.А. Химия жидких кристаллов и мезоморфных полимерных систем. М.:Наука. 1981. 288с.

2. Беляков В.А. Жидкие кристаллы. М.:Знание.1986.160с

3. Браун Г.Г., Уолкен Д.Д. Жидкие кристаллы и биологические структуры. М.:Мир. 1982.190с

4. Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов. — Минск:Изд-во НПООО «Микровидеосистемы», 1998. 238с

5. Чандрасекар С. Жидкие кристаллы — М.:Мир, 1980. 344с

6. Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости. Соросовский Образовательный Журнал. 1996. N11. С.37-46.

Комментарии запрещены.