Энциклопедический словарь нанотехнологий - жидкий кристалл

Термин на английском

liquid crystalСинонимы

мезофазаАббревиатуры

Связанные термины

анизотропия, критическая концентрация мицеллообразованияОпределение

разновидность жидкого состояния вещества, которая характеризуется определенным позиционным и / или ориентационным упорядочением молекул, обычно органических. Это состояние сочетает присущую жидкости текучесть с анизотропией ряда свойств, характерной для кристаллов.Описание

По степени молекулярной упорядоченности жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между твердыми кристаллами, в которых существует трехмерный дальний порядок, и жидкостями, имеющими только ближний порядок в расположении частиц. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры ("частичном плавлении" твердой фазы), называются термотропными. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении концентрации поверхностно активных веществ в растворителе, являются лиотропными.

Жидкокристаллическое состояние часто называют мезоморфным («мезос» промежуточный), а само вещество мезофазой. Наиболее часто жидкокристаллическое состояние встречается у органических веществ, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму. Причина образования жидких кристаллов существенно анизотропная форма молекул (цепочечная или плоская), что определяет приблизительную параллельность их укладки.

Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностями внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. В зависимости от характера расположения молекул, согласно классификации, предложенной Фриделем (Франция), различают три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические; в последнее время выделяют также дискотические фазы.

Смектические (от греч. «смегма» мыло, мазь) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую сигарообразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

Второй тип термотропных жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. «нема» нить). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо прилипают к стенкам сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят «причесанными» и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее, они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают «муаровую» текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поля так же, как железные опилки, располагаясь упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Холестерические жидкие кристаллы это, в основном, производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои так же, как у смектических, но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают необычными оптическими свойствами. Обычный свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он приобретает яркую окраску.

Дискотические жидкие кристаллы, открытые Чандрасекаром (США) и др., являются системой жидких столбиков, образующих двумерную решетку.

Лиотропные жидкие кристаллы состоят из двух или более компонентов. Обычно один из компонентов вода, а другой амфифил, содержащий полярную головную группу, которая присоединена к одной или нескольким длинным цепям углеводородов. Широко известный пример такой системы раствор мыла (додецилсульфата натрия) в воде.

С увеличением концентрации воды может возникать несколько различных мезофаз. В ламеллярной фазе вода заполняет пространство между полярными группами соседних слоев, а углеводородные "хвосты", имеющие неупорядоченную ориентацию, находятся в неполярном окружении. В кубической, или изотропновязкой, фазе плоские слои изгибаются и образуют сферические структурные единицы, причем полярные головки молекул расположены на поверхности сферы, а углеводородные цепи находятся внутри нее. При упаковке сфер получается пространственная кубическая объемноцентрированная решетка, а вода занимает пространство между отдельными сферами. В гексагональной, или средней, фазе слои свернуты в цилиндры. Цилиндрические структурные единицы неопределенной длины располагаются параллельно друг другу, образуя гексагональную упаковку. В некоторых системах наблюдался также нематический порядок упаковки. Вероятно, существует цилиндрическая сверхструктура, сходная с гексагональной кристаллической фазой, однако убедительные доказательства этого факта пока отсутствуют. В смесях, богатых гидрофобными компонентами, например, в системе "аэрозоль ОТ вода", могут появляться обращенная средняя или обращенная изотропновязкая фазы, в которых концевые углеводородные группы обращены в сторону гидрофобной среды, тогда как вода заключена в ядре.  Жидкие кристаллы применяются  в дисплеях часов, калькуляторов, персональных компьютеров и являются перспективным материалом для применения в оптических компьютерах. Жидкие кристаллы открыты австрийским ботаником Ф. Рейнитцером и немецким физиком О. Леманом.

• Гудилин Евгений Алексеевич, д.х.н.
• Шляхтин Олег Александрович, к.х.н.

Теги

Разделы

Нелинейные оптические преобразователи и волноводы

Наноструктурированные полимеры, волокна и композиты на их основе

Наноструктурированные керамические и композиционные материалы и покрытия

Темплейтные техники в жидких средах (химическое и электроосаждение)

Иммобилизация мицелл и биологических нанообъектов

Упорядоченные ансамбли (многослойные и многополосные структуры и сетки) одинаковых твердых элементов на подложках

Органические и полимерные наноматериалы и волокна

Методы обработки и формирования структур с прецизионным позиционированием (нанолитография, нанообработка, нанопечать, наноструйная техника и другое)

Нанотехнологии в фотонике и оптоэлектронике, компонентная база и устройства

Молекулярная электроника и устройства на ее основе

Наноэлектроника, компонентная база и устройства

Искусственные (синтетические) низкоразмерные объекты