Лекция по химии

«У каждого с собой есть жидкие кристаллы»

Химик Алексей Бобровский о жидких кристаллах

Лектор: 28.02.2011, 15:24

Жидкие кристаллы прочно и надолго вошли в нашу повседневную жизнь: они используются в дисплеях мобильных телефонов, компьютеров, в электронных часах и калькуляторах. Когда и как было обнаружено жидкокристаллическое состояние, в чем его уникальность, как синтезируют и изучают жидкие кристаллы, в своей лекции на «Газете.Ru» рассказывает лауреат премии президента России для молодых ученых, д. х. н. Алексей Бобровский.


Большинство веществ в твердом виде существуют в кристаллическом состоянии. Молекулы в нем формируют кристаллическую решетку, упорядоченную в трех измерениях. При нагревании до определенной температуры обычно наблюдается фазовый переход из этого высокоупорядоченного состояния в разупорядоченную жидкость, а при дальнейшем нагревании — в газ.1

Однако более 100 лет назад выяснилось, что существуют некоторые промежуточные фазы, близкие по свойствам к агрегатному состоянию жидкости, но тем не менее молекулы в них упорядочены.

В 1888 году австрийский ученый Фридрих Рейнитцер, исследуя производное холестерина — холестерилбензоат, — обнаружил, что при нагревании до 145° кристаллическая фаза (белый порошок) переходит в странную мутную жидкость, а при дальнейшем нагревании до 179° наблюдается переход в обычную прозрачную жидкость. Сообщения разных ученых о новом необычном состоянии вещества появлялись и до 1888 года, но так уж сложилось, что первооткрывателем считается Рейнитцер.2

Он отправил образец этого вещества физику Отто фон Леману. Фон Леман занимался изучением обычных кристаллов, в том числе пластических кристаллов. Основным его методом изучения кристаллов была поляризационная оптическая микроскопия — это микроскоп, в котором свет проходит через поляризатор, затем через вещество и через анализатор. При помещении между поляризатором и анализатором кристалликов определенного вещества можно наблюдать текстуры — характерные картинки для разных кристаллических веществ, а также изучать оптические свойства кристаллов. Фон Леман предположил существование жидких кристаллов незадолго до того, как получил образцы холестерилбензоата. Исследовав это соединение, он понял, что в интервале между 145 и 179 градусами оно образует как раз фазу с предсказанными им свойствами.

Он впервые догадался, что причиной возникновения этой необычной фазы является удлиненная, анизометричная форма молекул холестерилбензоата.

Анизометрия, грубо говоря, — это разница между шириной и длиной предмета. Соответственно, пример изометричной формы — шар.

Нельзя не упомянуть имя советского физика Всеволода Фредерикса, который в 20-е годы прошлого века изучал влияние магнитного и электрического полей на оптические свойства жидких кристаллов. Он исследовал важный эффект: ориентация молекул в жидких кристаллах очень легко меняется под действием внешних полей, причем поля эти очень слабые, а изменения очень быстрые.

Развитие микроэлектроники привело в итоге к тому, что с конца 60-х годов начался бум изучения жидкокристаллических систем. Инженеры научились их использовать вначале для систем отображения информации в обычных электронных цифровых часах, затем — в калькуляторах. А с появлением компьютерной техники стало понятно, что жидкие кристаллы можно активно применять при создании дисплеев. Естественно, такой технологический скачок стимулировал изучение с точки зрения фундаментальной науки жидких кристаллов.3

За одно десятилетие количество статей по жидким кристаллам выросло на два порядка. Появились специализированные международные и российские журналы по жидким кристаллам. Начали проводиться конференции, возникло международное и российское ЖК-общества.


Рассмотрим основные типы жидкокристаллических фаз. Обычно ЖК-фазы подразделяют на два основных типа, термотропные и лиотропные. К термотропным относят соединения, образующие ЖК-состояние при изменении температуры. Для формирования лиотропных необходимо наличие растворителя.

Термотропные жидкокристаллические фазы образуют молекулы, имеющие палочкообразную или дискообразную форму. Иными словами, они обладают анизометрией формы. Самая простая, нематическая фаза организована следующим образом: есть ориентационный порядок молекул, а центры масс расположены хаотично. Такое название произошло от слова «немато» — нить по-гречески. Дело в том, что при наблюдении в микроскоп часто наблюдаются топологические дефекты в виде нитей.4

В смектических фазах также есть ориентационный порядок, но центры масс уже немного упорядочены, располагаются в фиксированных плоскостях. Молекулы, таким образом, образуют слои. Название произошло от греческого «смегма» — мыло (смектики очень напоминают густое жидкое мыло по консистенции).

Очень интересна холестерическая фаза: локальный порядок у нее такой же, как и у нематической, но на расстоянии в масштабе сотен нанометров образуется спиральная структура с определенным направлением закрутки. Такая фаза образуется при обязательном наличии в системе хиральных молекул, у которых отсутствует симметрия относительно правой и левой стороны (как у правой и левой руки). Именно хиральность заставляет одноосно ориентированную нематическую фазу спирально закручиваться, образовывать холестерическую мезофазу. Название этой фазы связано с тем, что впервые открытые холестерики являлись производными холестерина.

Лиотропные ЖК-фазы, например, часто образуют амфифильные молекулы — это молекулы, у которых есть растворимая (полярная) часть и нерастворимый (неполярный) гибкий «хвост». Если поместить такие молекулы в воду, то полярные «головки» будут стремиться к контакту с водой, в то время как неполярные «хвосты» будут выталкиваться из водной фазы и контактировать друг с другом. За счет этого возможно образование целого ряда разных лиотропных ЖК-фаз в зависимости от концентрации амфифильного вещества.5

Необходимо подчеркнуть, что лиотропное ЖК-состояние играет важнейшую роль в живых системах (ЖК-фаза может реализовываться в, например, липидных мембранах).

Каким образом устроены типичные молекулы соединений, образующих термотропные ЖК-фазы? Обычно такие молекулы содержат ароматический фрагмент из двух-трех бензольных колец. Важно, что этот фрагмент вытянутый, то есть его длина больше, чем ширина, и то, что он достаточно жесткий, — именно он играет роль анизометричного фрагмента. В большинстве случаев необходимо также наличие в молекуле гибких «хвостов». Чаще всего это различные алкильные заместители — цепочки из атомов углерода — различной длины.


Жидкие кристаллы очень красивы при наблюдении их тонких пленок в поляризационный микроскоп.6

Поляризационная микроскопия — это первый и самый простой метод изучения жидких кристаллов. Анализ картины, наблюдаемой исследователем в поляризационный микроскоп в скрещенных поляризаторах, уже позволяет судить о том, какой тип жидкокристаллической фазы образуется. Разумеется, существуют более точные методы исследования ЖК-структуры, например, рентгеноструктурный анализ. На рисунках ниже показаны холестерическая ЖК-фаза и голубая ЖК-фаза.78


Практически у каждого из нас с собой есть небольшое количество жидких кристаллов: потому что большинство мониторов мобильных телефонов работает на них. ЖК-материалы используются для создания дисплеев компьютеров в телевизорах. Уникальность жидких кристаллов в том, что они сочетают анизотропию оптических свойств с высокой подвижностью и способностью к быстрой, за миллисекунды, переориентации.9

Чтобы понять принцип работы этих ЖК-дисплеев, рассмотрим, как устроен самый простой циферблат электронных часов.10

Слой жидкого кристалла помещен между двумя стеклянными подложками с тонким прозрачным токопроводящим покрытием и тонким полимерным слоем, ориентирующим молекулы жидкого кристалла в определенном направлении. ЖК-ячейка помещена между двумя скрещенными поляризаторами. Ориентация жидкого кристалла такова, что свет проходит через такую ячейку. Но если приложить электрическое поле, то молекулы выстраиваются вдоль него, и свет уже не проходит сквозь ячейку. Таким образом, можно быстро варьировать способность либо неспособность ячейки пропускать свет. Каждая цифра получается за счет того, что на стекло нанесен токопроводящий слой в виде 7 сегментов.

ЖК-мониторы — это намного более сложные многослойные конструкции, но принцип в основном такой же — возможность быстро менять свойства ЖК-фазы позволяет передавать на экран изображение и динамично обновлять его. Это основная область применения нематиков.11

Широкое использование нашли и холестерики — для визуализации температурных полей. Дело в том, что холестерическая мезофаза образует спиральной структурой с определенным шагом спирали. Спиральная надмолекулярная структура холестериков обладает рядом удивительных оптических свойств. Одно из них — селективное отражение света. При этом длина волны, или цвет селективного отражения прямо пропорционален шагу спирали и, что очень важно, может сильно зависеть от температуры. Поэтому пленки холестерического жидкого кристалла позволяют зафиксировать пространственное распределение температуры. Это находит применение в медицине и технике. Дело в том, что при различных воспалительных процессах температура кожного покрова на определенных участках тела растет. Холестерики позволяют воссоздать карту распределения температуры и локализовать воспалительный процесс.12

Во второй части лекции будет рассказано об особенностях и сферах применения ЖК-полимеров.