Информация к размышлению будущим биологам. Чудесные растворы

Чудесные растворы. В 1920 г. Ж. Фридель обратил внимание на следующее обстоятельство. Некоторые структуры жидких кристаллов, возникающие при нагревании вещества, отличны от возникающих при его растворении. Поэтому жидкие кристаллы, образующиеся при растворении, он выделил в особый класс и назвал их лиотропными (от греч. «лио»—растворять).

То, что некоторые растворы являются анизотропными, было известно еще Леману (напомним, Леман — соавтор Рейнитцера по открытию жидких кристаллов). Еще в 1898 г. он установил, что водный раствор олеата аммония по своим оптическим свойствам не отличается от обычных жидких кристаллов.

Отличие структуры лиотропных жидких кристаллов от термотропных было определено рентгеновскими методами.

Что же представляет собой лиотропный жидкий кристалл? Молекулы лиотропного жидкого кристалла, так же как и термотропного, имеют палочкообразную, удлиненную форму. Но для образования лиотропного жидкого кристалла необходимо еще одно важное свойство молекул — амфифильность, что означает «любовь» к обеим сторонам. Этими «сторонами» является вода и жир.

Поэтому амфифильная молекула состоит из двух частей — гидрофильной — любящей воду и липофильной— любящей жир. Гидрофильная часть обязана быть полярной, т. е. обладать постоянным дипольным моментом. Эта часть молекулы смешивается с водой в любых соотношениях, но она нерастворима в жире.

Липофильная часть молекулы неполярна, она хорошо растворяется в жире и не растворяется в воде. Примерами гидро фильной части могут служить такие радикалы, как - СООН, -ОН, -СО₂Nа, -0₃К и др. Липофильной частью служат углеводородные цепочки СН₃(СН₂)п.

Амфифильную молекулу можно сравнить с булавкой (таким сравнением мы уже пользовались при получении слоя нематика с гомеотропной текстурой). Головка булавки является гидрофильной частью, а иголка — липофильной углеводородной цепочкой.

При попадании в воду амфифильная молекула располагается следующим образом: головка погружается в воду (она гидрофильна), а иголка направлена перпендикулярно поверхности воды, избегая с ней контакта.

Причину «любви» к воде головки несложно понять, если вспомнить, что молекула воды, так же как головка, полярная, т. е. имеет дипольный момент. Взаимодействуя между собой, диполи притягиваются друг к другу. Липофильный хвостик не имеет дипольного момента (он неполярный), поэтому ведет себя нейтрально по отношению к воде, т. е. не притягивается.

Итак, расположение молекулы по отношению к воде понятно, но мы рассмотрели одну молекулу. Что же будет происходить с множеством таких молекул?

Все зависит от объема воды. Если ее много, то молекулы булавки располагаются на поверхности воды? образуя плоский ориентированный слой (рис. 66). С увеличением числа молекул, т. е. с увеличением концентрации раствора, молекул-булавок становится столько, что свободная поверхность воды будет занята головками.

Что делать другим молекулам? Им приходится менять форму расположения, не меняя принципа. Головки наших булавок образуют сферу, внутри которой спрятаны иголки (рис. 67). Такое «собрание» молекул получило название мицелла (от лат. слова «мица» — крупинка). Поскольку она имеет форму сферы, то получила название сферической.

Дальнейшее увеличение концентрации молекул-булавок приводит к увеличению числа сферических мицелл до тех пор, пока они не начнут менять свою форму из-за «желания» головок быть в контакте с водой. Возможной новой геометрической упаковкой молекул становятся цилиндрические мицеллы (рис. 68). Цилиндрическая мицелла по «внешнему виду» немного напоминает початок кукурузы.

Упаковываются цилиндрические мицеллы довольно плотно: мицеллы второго слоя занимают свободные места между мицеллами первого, цилиндры третьего слоя — во втором и т. д. (рис. 69). Каждый цилиндр окружают шесть соседей-цилиндров (такая упаковка называется гексагональной). Появляется уже знакомая нам геометрическая анизотропия.

Правильно будет предположить, что свойства нашего раствора будут зависеть от направления оптической оси — вдоль оси цилиндрических мицелл или поперек их. Действительно, такой лиотропный жидкий кристалл обладает сильным двойным лучепреломлением и имеет одну оптическую ось, направленную вдоль цилиндров.

При дальнейшем увеличении концентрации молекул- булавок цилиндрические мицеллы перестраиваются в двойные плоские слои (рис. 70). Двойные, потому что толщина слоя примерно равна толщине двух молекул. Между «головками» молекул находится слой воды, поэтому слои молекул могут легко скользить вдоль него. Наличие слоев, как мы помним, — признак принадлежности кристаллов к смектику — мы получили лиотропный смектический кристалл. Такую структуру часто называют ламеллярной.

Таковы в общем геометрические принципы упаковки молекул в лиотропных жидких кристаллах. Необходимо отметить еще один интересный момент. Когда в растворе воды мало, то возможно появление так называемых инвертированных структур. В этом случае головка и иголка молекулы-булавки как бы меняются местами. Дипольные головки собираются внутри сферической или цилиндрической мицеллы, а углеводородные хвостики направлены наружу.

Как и у термотропных жидких кристаллов, лиотропный кристалл может обладать несколькими фазами, т. е. иметь несколько разных структур в зависимости от концентрации раствора.

Мы рассмотрели некоторые примеры структуры лиотропных жидких кристаллов. В действительности возможных структур больше.

Изучение лиотропных жидких кристаллов началось совсем недавно, и достижения ученых в этой области пока отстают от успехов в изучении термотропных жидких кристаллов. Если раньше лиотропные жидкие кристаллы были интересны с точки зрения биологии, то сейчас наметился выход их в технику.

Здесь можно привести пример получения поляроидов. Лиотропный жидкий кристалл наносится на поверхность стекла, при этом молекулы оказываются сориентированны. Затем дают раствору высохнуть, и поляроид готов.