ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ - состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В кристаллическом твердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки, называемой кристаллической решеткой, и могут лишь вращаться в своих фиксированных позициях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения. Считается, что состояние жидкого кристалла открыл в 1888 австрийский ботаник Ф.Рейнитцер. Он изучал поведение органического твердого вещества, называемого холестерилбензоатом. При нагревании это соединение переходило из твердого в мутное на вид состояние, ныне называемое жидкокристаллическим, а затем в прозрачную жидкость; при охлаждении последовательность превращений повторялась в обратном порядке. Рейнитцер отметил также, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла - от красного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении. Почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения; примерно 50% всех известных органических соединений при нагревании образуют жидкие кристаллы. В литературе описаны также жидкие кристаллы некоторых гидроксидов (например, Fe2O3ЧxH2O). Консистенция жидких кристаллов может быть разной - от легкотекучей жидкой до пастообразной. Жидкие кристаллы имеют необычные оптические свойства, что используется в технике.
Типы жидких кристаллов. Есть два способа получить жидкий кристалл. Один из них был описан выше, когда говорилось о холестерилбензоате. При нагревании некоторых твердых органических соединений их кристаллическая решетка разваливается и образуется жидкий кристалл. Если температуру повышать и далее, то жидкий кристалл переходит в настоящую жидкость. Жидкие кристаллы, образующиеся при нагревании, называются термотропными. В конце 1960-х годов были получены органические соединения, являющиеся жидкокристаллическими при комнатной температуре. Существуют два класса термотропных жидких кристаллов: нематические (нитевидные) и смектические (сальные или слизистые). Нематические жидкие кристаллы можно разделить на две категории: обычные и холестерически-нематические (скрученные нематики).
ТЕРМОТРОПНЫЕ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ, схема молекулярной упаковки. В смектическом классе (за исключением смектика D) молекулы расположены в слоях. Каждая молекула остается в своем слое, но слои могут скользить один относительно другого. В нематических жидких кристаллах молекулы могут двигаться во всех направлениях, но их оси всегда остаются параллельными друг другу. В холестерически-нематических жидких кристаллах оси молекул лежат в плоскости слоя, но их ориентация меняется от слоя к слою как бы спирали. Благодаря такой спиральной закрутке тонкие пленки холестерических жидких кристаллов обладают необычайно высокой способностью к вращению плоскости поляризации поляризованного света. а - смектический; б - нематический; в - холестерический.
Второй способ получения жидких кристаллов - обработка некоторых соединений контролируемым количеством воды или другого полярного растворителя. (Полярным называется растворитель, состоящий из молекул-диполей, на одном конце которых находится положительный электрический заряд, а на другом - отрицательный.) Жидкие кристаллы, состоящие из двух и более компонентов, называются лиотропными. Их можно получать, смешивая с водой такие материалы, как мыла, детергенты, полипептиды, жирные кислоты, соли жирных кислот и фосфолипиды.
Структура. Жидкие кристаллы образуются из молекул, имеющих разную геометрическую форму (чаще всего - удлиненных или дискообразных). Электрическими межмолекулярными силами определяется характер "упаковки" молекул, т.е. то, как они геометрически соотносятся друг с другом. Некоторые типичные расположения молекул представлены на рисунках на этой странице. В нематических жидких кристаллах молекулы расположены параллельно или почти параллельно друг другу. Они могут двигаться во всех направлениях и вращаться вокруг своих продольных осей. Их можно уподобить карандашам в коробке: карандаши могут вращаться и скользить вперед и назад, но должны оставаться параллельными друг другу. Молекулярная упаковка смектиков (за исключением смектика D) дает слоистую структуру с несколькими вариантами расположения молекул в слоях. Слои могут без помех скользить друг по другу. В наиболее распространенной упаковке продольные оси молекул направлены приблизительно под прямым углом к плоскости слоя. Каждая молекула может двигаться в двух измерениях, оставаясь в слое, и вращаться вокруг своей продольной оси. Расстояние между молекулами слоя может быть либо постоянным, либо беспорядочно меняющимся. В жидких кристаллах холестерически-нематического класса 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 ок. 0,5 мкм.
Применение. Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. (У холестерически-нематических жидких кристаллов эта способность очень велика.) На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала. Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств (прикладывая низковольтные электрические поля к разным частям соответствующим образом выбранной пленки, можно получать видимые глазом фигуры, образованные, например, прозрачными и непрозрачными участками). Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.
См. также ЖИДКОСТЕЙ ТЕОРИЯ.