Молекулы информируют. Мезофаза

Не случайно рассказ о жидких кристаллах начат с рассмотрения некоторых свойств твердых тел и жидкостей. Само название «жидкий кристалл» заключает в себе парадокс.

Испокон веков «визитной карточкой» жидкости было свойство текучести, а первым, что бросалось в глаза при взгляде на кристалл, — его твердые, правильные формы. Поэтому словосочетание «жидкий кристалл» вызывает недоумение: как же твердое тело может быть жидким или жидкость твердой?

Твердое тело может быть жидким, правда, жидким не в смысле «текучим», а с точки зрения строения тела. Это хорошо всем известные аморфные тела: стекло, воск. Атомы этих веществ не образуют кристаллической решетки, хотя вещество твердое. Поэтому их можно назвать твердыми жидкостями.

Почему бы не предположить, что если есть твердое тело со структурой жидкости, то должна существовать и жидкость со структурой твердого кристалла? Так оно и оказалось. В цепи различных агрегатных состояний вещества одно из звеньев было неизвестно.

Обнаружилось это звено случайно. Профессор Ботанического института Высшей технической школы в австрийском городе Граце Фридрих Рейнитцер, изучая производные холестерина, заметил интересное явление. Кристаллы синтезированного Рейнитцером холестерилбензоата (о возможных путях получения подобных веществ можно узнать на с. 85) при температуре 145°С плавились в мутную жидкость, которая при нагревании до температуры 179°С переходила в прозрачный расплав, не изменяющийся и при дальнейшем повышении температуры.

Затем расплав охлаждался до температуры 179°С, приобретая при этом синеватую окраску, которая быстро исчезала, и жидкая масса становилась снова мутной. При приближении к температуре 145°С окраска появлялась вновь и тотчас же вещество закристаллизовывалось.

Пораженный этим необычным явлением, говорящим о якобы двойном плавлении, Рейнитцер попросил немецкого физика Лемана исследовать свои препараты. Изучая их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза анизотропна. Свойство анизотропии, как выше мы установили, присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким. Леман назвал его жидким кристаллом.

Жидкокристаллическое состояние вещества иногда называют мезоморфным состоянием, а жидкий кристалл— мезофазой (от греч. «мезос» — промежуточный), т. е. промежуточное между твердокристаллическим и изотропножидким.

Итак, жидкокристаллическим называется такое состояние вещества, которое обладает структурными свойствами, промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости. Жидкие кристаллы текучи. В зависимости от типа кристалла их вязкость может меняться от вязкости воды до вязкости густого масла. Почему же в отличие от изотропных жидкостей и стекол жидкие кристаллы обладают кристаллическими свойствами — оптической, электрической, магнитной и т. д. анизотропией?

Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностью внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. Попробуем определить формы молекул и способы их «упаковки» в жидкокристаллическом образце.

Очевидно, что ориентация центров тяжести молекул не образовывает пространственную кристаллическую решетку, как в твердом кристалле. Форма молекулы не может быть сферически симметричной, иначе при произвольном расположении таких «шариков» невозможно выделить какое-либо направление, т. е. все направления будут одинаковы, а это уже изотропная структура жидкости. Следовательно, форма молекулы должна быть анизотропной.

Такому условию отвечают молекулы, форму которых можно грубо представить в виде удлиненной палочки (рис. 7, а). Палочка анизотропна, а следовательно, по-разному ее располагая, можно получить анизотропию и в большом «собрании» таких молекул — палочек.

В настоящее время считается общепризнанным, что мезогенные свойства веществ (способность к образованию мезофазы) в первую очередь определяются геометрической анизотропией молекул. Такие молекулы при вращении вокруг длинной оси образуют цилиндр с большой высотой и малым диаметром.

Для характеристики расположения молекул в мезофазах вводится единичный вектор П, указывающий направление преимущественной ориентации длинных осей молекул. Его принято называть директор.

Примеров химических соединений, молекулы которых отвечают этому условию, можно привести много. Но хотелось бы обратить внимание еще на одну возможную геометрически анизотропную форму молекулы. В палочкообразной молекуле атомы преимущественно располагаются вдоль одной линии, но ведь можно получить анизотропную форму, расположив атомы в выделенной плоскости (рис. 7, 6). Жидкие кристаллы с такими молекулами (они называются дискотическими) несколько обособленно стоят по сравнению с теми типами мезофаз, которые будут сейчас рассмотрены.