Классификация жидких кристаллов

Жидкий кристалл можно получить двумя способами. Один из них обнаружил Рейнитцер, нагрев холестерилбензоат до определенной температуры. Такие мезофазы впоследствии получили название термотропных жидких кристаллов. Существуют еще и лиотропные жидкие кристаллы. Они образуются в процессе растворения твердокристаллических веществ.

Отсюда и название — лиотропные («лио» — растворять). О лиотропных жидких кристаллах разговор пойдет несколько позже, а сейчас попытаемся провести классификацию термотропных жидких кристаллов.

В 20-х гг. центр исследований жидких кристаллов из Германии переместился во Францию. К этому времени было уже известно несколько десятков жидких кристаллов, и пришла пора их классифицировать. Эту задачу довольно успешно решил французский кристаллограф Жорж Фридель. Свою классификацию он строил на основе рассмотрения оптических картин жидких кристаллов, полученных с помощью поляризационного микроскопа.

Фридель разделил жидкие кристаллы на два типа: нематические (от греч. «нема» — нить) и смектические (от греч. «смегма» — мыло). В свою очередь нематические жидкие кристаллы он разделил на собственно нематические (для сокращения принято называть нематиками) и холестерические (холестерики).

В нематиках центры масс молекул расположены хаотично, длинные оси молекул нематика расположены приблизительно параллельно, и дальний порядок наблюдается только по отношению к их ориентации (рис. 8).

Название свое холестерики получили потому, что большинство из них являются сложными эфирами холестерина. Строение холестериков несколько «интереснее», чем нематиков. Если в жидкокристаллическом образце холестерика выбрать мономолекулярный слой (слой толщиной в одну молекулу), то молекулы в нем будут располагаться почти параллельно друг другу, т. е. напоминать по строению нематик. Следующий соседний мономолекулярный слой «устроен» аналогично. Отличие одно: при переходе от слоя к слою директор поворачивается на небольшой угол и тем самым описывает спираль (рис. 9).

Такая спираль, или, как ее называют, периодическая решетка холестерика, удивительна тем, что четкое чередование в ней касается только ориентации молекул. Поведение же молекул в нематическом слое гораздо свободнее. Они могут перемещаться, меняться, т. е. холестерическая жидкость может течь вдоль этих слоев, но спираль при этом сохраняется.

Чем же вызвано такое странное строение холестерика? — Особенностью строения молекул, не обладающих зеркальной симметрией.

Попробуем разобраться в этом с помощью плоского зеркала. При построении точки в плоском зеркале ее изображение находится по другую сторону зеркала на таком же расстоянии от него, что и сама точка. Плоскость зеркала можно назвать плоскостью симметрии.

Рассмотрим одну из форм снежинки, изображенной на рисунке 10. На прямых АА, ББ, ВВ, ГГ перпендикулярно плоскости рисунка расположим плоские зеркала. Легко можно видеть, что одна половина снежинки, отразившись в зеркале, даст изображение, полностью совпадающее с другой. В этом случае говорят, что снежинка обладает зеркальной симметрией.

Или можно попробовать с помощью зеркала отражением одной части ладони получить другую. Сколько ни пытайтесь это сделать, все равно ничего не получится — ладонь не обладает зеркальной симметрией.

Молекулы холестерического жидкого кристалла также не обладают зеркальной симметрией. В этом случае можно говорить о правых и левых молекулах.

Молекулы, которые нельзя совместить сами с собой, как правую и левую руку, простым наложением, получили название хиральных молекул (от древнегреч. «хейр» — рука). Как же может выглядеть молекула холестерического жидкого кристалла? Она должна напоминать молекулу нематика, т. е. быть удлиненной, но не должна обладать зеркальной симметрией.

Как же можно изменить форму палочки, чтобы она стала хиральной? Для этого один конец палочки, отклонив от оси, надо немного закрутить. Такая модифицированная молекула будет состоять из двух частей — плоской и закрученной (спиральной) (рис. 11).

Как же расположить множество таких молекул? Внутри одного слоя молекулы располагаются так, что их плоские части параллельны друг другу (рис. 12, а). В соседних же слоях энергетически выгодным будет такое расположение, при котором спиральные части молекул будут как бы вкладываться друг в друга, а плоские части будут повернуты относительно друг друга на небольшой угол (рис. 12, 6). Приближенный расчет дает угол поворота меньше 1°.

Так в общих чертах выглядит упаковка хиральных молекул холестерика. Надо отметить, что хиральность — признак холестерика. Можно заранее предсказать, что холестерическая мезофаза образуется в том случае, если мезогенное соединение способно образовывать нематическую мезофазу и его молекулы хиральны.

Наиболее упорядоченными жидкими кристаллами являются смектические жидкие кристаллы (рис. 13). Они представляют собой как бы кристалл, периодичный только в одном направлении и в котором центры масс молекул располагаются в слоях.

Всех смектиков объединяет существование смектического слоя, а различает расположение молекул внутри самого слоя. На сегодняшний день открыто 8 различных смектических модификаций. Подробнее об этих различиях и сходствах будет рассказано ниже.