XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

В природе встречаются вещества, которые обладают одновременно основными свойствами кристалла и жидкости (анизотропия и тегучесть). Такое состояние вещества называют жидкокристаллическим. В основном жидкими кристаллами являются те вещества, молекулы которых имеют форму плоских пластин (например, мыльный пузырь).

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Впервые образование новой фазы было замечено австрийским ботаником Ф. Рейнитцером в 1888, который изучал роль холестерина в растениях. Нагревая синтезированное вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре ≈1450С кристаллы плавятся и образуют мутную жидкость, которая при дальнейшем нагревании ≈1790С становится прозрачной, то есть у этого соединения имеются две точки плавления, три различные фазы: твердая, жидкокристалическая и жидкая. Также Рейнитцер отметил, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла – от красного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении.
Вскоре Отто Леман провел систематическое исследование органических соединений и нашел, что они похожи на холестерилбензоат. Каждое из соединений вело себя как жидкость по своим механическим свойствам и как кристаллическое твердое тело – по оптическим свойствам. Леман показал, что мутная промежуточная фаза – это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» .
Затем Ж. Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти соединения мезоморфными и разделил их на три класса: смектические, нематические и холестерические системы.
В 1963 г. американец Джеймс Фергюсон использовал свойство изменения цвета жидких кристаллов под действием температуры для обнаружения тепловых полей.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Почти все жидкие кристаллы представляют собой органические соединения.

ГРУППЫ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ И ИХ СВОЙСТВА

По своим общим свойствам жидкие кристаллы можно разделить на две большие группы: лиотропные и термотропные.
Лиотропные жидкие кристаллы представляют собой амфифильной фазы и растворителя. Растворитель заполняет большую часть пространства, обеспечивая веществу текучесть. Одна часть амфифильных веществ растворяется в растворителе, а вторая – нет. Поэтому они объединяются в группы молекул – мицеллы, в которых части, не взаимодействующие с растворителем, группируются внутри, а взаимодействующие – снаружи, таким образом обеспечивая разделение несмешивающихся компонентов. (например, мыло). Мицеллы могут быть пластинчатыми, цилиндрическими, сферическими или прямоугольными. Концентрация и состав растворителя напрямую воздействуют на образование и структуру мицелл. В результате концентрация растворителя, действующая как еще одна степень свободы системы, позволяет лиотропным кристаллам образовывать много новых форм, недоступных для обычных термотропных кристаллов. При увеличении концентрации амфифила мицеллы могут выстраиваться в структуры, подобные кристаллическим решеткам, образуя более кристаллоподобные материалы.

Существуют типы лиотропных жидкокристаллических структур, образованных амфифильными молекулами в водных растворах(Рис.1).

Рис.1

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).

Термотропные жидкие кристаллы представляют собой вещества, для которых мезоморфное состояние характерно в определенном интервале температур и давлений. Ниже этого интервала вещество является твердым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Такие жидкие кристаллы образуются при нагревании некоторых твердых кристаллов: сначала происходит переход в жидкий кристалл, причем может происходить последовательно переход из одной модификации в следующую. Каждая мезофаза существует в определенном интервале температур. У разных веществ этот интервал различен. Структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твердокристаллическая фаза — смектическая — нематическая — аморфно-жидкая. Термотропные жидкие кристаллы можно получить также в результате охлаждения изотропной жидкости. Эти переходы являются фазовыми переходами первого рода (с выделением теплоты фазового перехода).
 Термотропные жидкие кристаллы подразделяются на три больших класса(Рис.2).
а) Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, с несколькими вариантами расположения молекул в слоях. Слои могут без преград скользить друг по другу. Каждая молекула может двигаться в двух измерениях, оставаясь в слое, и вращаться вокруг своей продольной оси. Расстояние между молекулами слоя может быть постоянным или беспорядочно меняющимся. Слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул. Кроме того, возможно упорядоченное и неупорядоченное расположение молекул в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования различных полиморфных модификаций.

б) В нематические жидкие кристаллы отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры. В таких кристаллах молекулы расположены параллельно или почти параллельно друг другу. Они могут двигаться во всех направлениях и вращаться вокруг своих продольных осей, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению

в) Холестерические кристаллы образуются соединениями холестерина и других стероидов. В этих кристаллах молекулы упакованы в параллельных слоях так, что продольные оси всех молекул лежат в плоскости слоя. При этом «архитектура» молекулярной упаковки такова, что продольные оси молекул одного слоя повернуты на небольшой угол относительно молекул соседнего слоя. Это угловое смещение постепенно нарастает от слоя к слою как бы по спирали, один виток которой соответствует толщине около 0,5 мкм.Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение приводит к изменению шага спирали и изменению окраски жидкого кристалла.

Холестерики образуется двумя группами соединений: производными оптически активных стероидов, главным образом холестерина и нестероидными соединениями, принадлежащими к тем же классам соединений, которые образуют нематические жидкие кристаллы, но обладающими.

Рис.2

а-нематический порядок
б-смектический порядок
в-холестерический порядок

СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Главное свойство жидких кристаллов-это изменение ориентации молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.
Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то и отражение света резко меняется с температурой, что приводит к изменению цвета вещества.

Благодаря диэлектрическим свойствам жидкие кристаллы образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния.

ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ

Наиболее известное применения жидких кристаллов – жидкокристаллические дисплеи. Такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеровкалькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны и т.д.

Устройство ЖК-дисплеев представляет собой набор стеклянных пластин, между которыми расположены жидкие кристаллы (ЖК-матрица), и множество источников света. Пиксель ЖК-матрицы включает в себя пару прозрачных электродов, которые позволяют менять ориентацию молекул жидкого кристалла, а также пару поляризационных фильтров, которые регулируют степень прозрачности.
Важное применение жидких кристаллов- это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.

Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве.
Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания(рак молочной железы).

ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека. Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением жидких кристаллов разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления. Жидкие кристаллы во многом похожи на некоторые клеточные структуры, и иногда присутствуют в них. В силу своих диэлектрических свойств жидкие кристаллы регулируют взаимоотношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой. Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может привнести вклад в молекулярную биологию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

https://www.youtube.com/watch?v=CdXG-rrB5tU

https://studopedia.ru/11_99590_istoriya-otkritiya-zhidkih-kristallov.html

https://polymus.ru/ru/news/blogs/channels/himiya-buduschego/124325/

https://studwood.ru/1703316/matematika_himiya_fizika/gruppy_zhidkih_kristallov

https://megaobuchalka.ru/8/4396.html

https://mipt.ru/upload/medialibrary/230/font-2-fivt-4.pdf

https://spacegid.com/zhidkie-kristallyi.html

Код для цитирования: Скопировать