Подпишитесь на оповещения
от Газеты.Ru
Дополнительно подписаться
на сообщения раздела СПОРТ
Отклонить
Подписаться
Получать сообщения
раздела Спорт
Лекция по химии

«ЖК-полимеры созданы в МГУ»

Химик Алексей Бобровский о ЖК-полимерах

Лектор: 09.03.2011, 16:21

О ЖК-полимерах — перспективных материалах с рядом уникальных свойств, идея создания которых зародилась на химическом факультете МГУ, рассказывает в своей второй лекции на «Газете.Ru» лауреат премии президента России для молодых ученых, д. х. н. Алексей Бобровский.


В то время когда уже полным ходом проводились исследования жидкокристаллического состояния (60–70-е годы), возникла идея: а нельзя ли сочетать уникальные оптические свойства жидких кристаллов с хорошими механическими свойствами полимеров — способностью образовывать покрытия, пленки, изделия?

Если обычные жидкие кристаллы известны уже почти полтора столетия, то ЖК-полимерам меньше 40 лет. Но прежде, чем о них рассказать, напомним, что такое полимеры вообще.

Полимеры, или высокомолекулярные соединения, — это соединения, которые обычно получаются путем химического связывания большого количества однотипных (в самом простом случае одинаковых) звеньев.

1

Молекулы полимеров характеризуются огромным разнообразием и значительно отличаются по форме (правильно говорить «топологии»): 2

Таким образом, в начале 70-х возникли подходы к созданию ЖК-полимеров. Они заключаются либо во введении мезогенных (ответственных за формирование ЖК-фазы) групп в состав полимерной цепи, либо в их интеграции к основной полимерной цепи посредством гибких спейсеров (или по-русски развязок).

Эти подходы позволили реализовать автономию между основной полимерной цепью и мезогенными группами. Иными словами, в таких макромолекулах основная полимерная цепь не мешает мезогенным фрагментам образовывать жидкокристаллическую фазу.3

Немного об истории создания гребнеобразных ЖК-полимеров.

Надо отметить, что приоритет в их создании принадлежит советским ученым.

Именно в Московском университете на химическом факультете Николай Платэ, Валерий Шибаев и Яков Фрейдзон разработали концепцию спейсера и осуществили синтез первых гребнеобразных ЖК-полимеров.4

Один из методов получения ЖК-полимеров — полимеризация мономеров, низкомолекулярных соединений, имеющих в своем составе фрагменты, способные к химическому связыванию друг с другом. Важное достоинство такого подхода — возможность получения не только гомополимеров (из одинаковых звеньев), но и сополимеров, состоящих из различных звеньев. 5

Это позволяет сочетать в одном полимерном материале два разнородных компонента, несущих разные функциональные нагрузки.

Важное преимущество ЖК-полимеров по сравнению с низкомолекулярными жидкими кристаллами — возможность формирования стеклообразного состояния. При высоких температурах реализуется жидкая изотропная фаза, при понижении температуры образуется жидкокристаллическая фаза (в этих условиях полимер выглядит как очень вязкая жидкость), а при охлаждении наблюдается переход в стеклообразное состояние. Чаще всего при комнатной температуре ЖК-полимеры находятся в стеклообразном состоянии.6

Это свойство принципиально отличает ЖК-фазы полимеров от низкомолекулярных соединений. Последние существуют либо в жидком, либо в кристаллическом состоянии, при переходе у них меняется структура. В случае полимеров эта структура оказывается замороженной в стеклообразном состоянии, которое может сохраняться в течение десятилетий. Это не только удобно с точки зрения исследователей, но и важно с точки зрения применения, например для записи и хранения информации.

К настоящему моменту появилось много работ, посвященных фотохромным (т. е. чувствительным к свету) эластомерам, которые содержат азобензольный фрагмент — два бензольных кольца, связанных между собой N=N двойной связью. Что происходит при воздействии света на такие молекулярные фрагменты? Наблюдается так называемая транс-цис-изомеризация, и палочкообразный фрагмент при облучении светом переходит в скошенную изогнутую цис-форму. Это приводит к тому, что степень ЖК-порядка в системе сильно падает, и более того,

иногда наблюдается вызванный светом фазовый переход из нематической в изотропную фазу.

При этом иногда происходит изменение геометрических размеров пленки ЖК-эластомера.7

В некоторых случаях при воздействии поляризованного света можно вызывать направленный изгиб ЖК-пленок.8


В заключение хочется сказать несколько слов об одном из направлений исследований нашей лаборатории химических превращений полимеров химического факультета МГУ, которой руководит один из создателей ЖК-полимеров Валерий Петрович Шибаев.

Как было сказано выше, сополимеризация открывает возможность сочетания совершенно разнородных фрагментов в одном полимерном материале. Основываясь на этом подходе, нами разработана концепция дизайна многофункциональных ЖК-полимеров. Эта концепция заключается в сополимеризации самых разных функциональных мономеров, которые могут быть мезогенными, хиральными, фотохромными, электроактивными, могут нести функциональные группы, которые могут, например, взаимодействовать с ионами металлов, образовывать водородные связи.9

На рисунке изображена гипотетическая гребнеобразная макромолекула; обычно мы синтезируем двойные или тройные сополимеры, которые содержат разные комбинации фрагментов. Один из примеров многофункциональных полимеров — это хирально-фотохромные холестерические сополимеры.

Учитывая особенности формирования холестерической мезофазы, несколько лет назад впервые для полимерных систем нами был предложен принцип фоторегулирования шага холестерической спирали и, соответственно, длины волны селективного отражения света.10

Для этого мы объединили два фрагмента, фотохромный и хиральный, в едином мономерном звене.

При облучении светом происходит изомеризация этой группы — ее форма меняется.

Это приводит к сильному падению закручивающей способности и, как следствие, к раскрутке холестерической спирали.11

При облучении пленок холестерических ЖК-полимеров с использованием маски возникает возможность локальной раскрутки спирали и изменения длины волны селективного отражения цвета.12

Такие изображения могут быть записаны необратимо, однако

при подборе химической структуры хирально-фотохромного фрагмента, например при использовании вышеупомянутых производных азобензола, можно реализовать много циклов «запись-стирание».

13

В нашей недавней работе мы научились не только управлять длиной волны селективного отражения воздействием света, но и изменять интенсивность отражения при помощи электрического поля, создав фото- и электроуправляемые холестерические материалы.

Разработанные подходы и принципы создания многофункциональных ЖК-полимеров имеют не только большое значение с точки зрения науки, но и могут быть использованы в будущем в разных областях оптоэлектроники, для записи и хранения информации, сенсорных устройств и т. д.14