7.3. Жидкие кристаллы

Так же, как в твёрдом агрегатном состоянии, некоторые вещества могут находиться и в кристаллическом, и в аморфном состояниях, также и жидкости, тоже могут быть и аморфными, и кристаллическими. Кристаллическое состояние от аморфного отличает структура дальнего порядка - порядок в расположении молекул, сохраняющийся на расстояниях, намного превышающих межмолекулярные.

Структуры дальнего порядка анизотропны, а ближнего - изотропны. Анизотропия означает разные свойства по разным направлениям, изотропия - одинаковые свойства по разным направлениям. Это могут быть и прочность, и теплопроводность, и электропроводность, и оптические свойства. Например, стекло, в отличие от кристалла, бьётся одинаково по разным направлениям на осколки разнообразной формы. У кристалла, в отличие от стекла, разные показатели преломления по разным направлениям. По оптической анизотропии некоторых жидкостей и были обнаружены жидкие кристаллы. У жидких кристаллов наблюдается анизотропия и оптических и некоторых других свойств.

Жидкие кристаллы образуются длинными молекулами. Например, у молекул мыла, которые образуют жидкие кристаллы в водном растворе, длина 3 - 4 нм, а диаметр около 0,4 нм.

На рисунке 7.4 (а, б, в, г) изображены некоторые структуры, которые могут образовывать такие длинные молекулы в жидком состоянии. 7.4 а - структура ближнего порядка, 7.4 б, в, г - структуры дальнего порядка. 7.4 б - оси молекул ориентированы параллельно друг другу- это, так называемые, нематические - нитевидные жидкие кристаллы, 7.4 в - не только оси молекул ориентированы параллельно друг другу, но и молекулы расположены послойно - это смектические - мылообразные жидкие кристаллы. 7.4 г - холестерические жидкие кристаллы, у них в каждой плоскости оси молекул ориентированы параллельно друг другу, но в других плоскостях, ниже и выше этой плоскости оси молекул повёрнуты на некоторый угол.

Рис.7.4. структуры, которые могут образовывать длинные молекулы в жидком состоянии: а)ближнего порядка, б)нематическая структура, в)смектическая структура,г)холестерическая структура.

В жидких кристаллах молекулы гораздо подвижнее чем в твёрдых, поэтому жидкие кристаллы обладают текучестью. Вместе с тем, молекулы в жидких кристаллах расположены относительно друг друга в структуре дальнего порядка ( см, таблицу 7.1)

ТАБЛИЦА7.1 РАЗЛИЧИЯ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО, ЖИДКОГО АМОРФНОГО, ТВЁРДОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО И ТВЁРДОГО АМОРФНОГО СОСТОЯНИЙ

Состояние свойства	Жидкий кристалл	Аморфная жидкость	Твёрдый кристалл	Аморфное твёрдое тело - стекло
текучесть	+	+	-	-
Дальний порядок	+	-	+	-

Таким образом, сочетание текучести - динамичности с упорядоченной структурой дела определяют крайнюю ценность жидких кристаллов. Поэтому, например, структурной основой биологических мембран являются фосфолипидные молекулы, организованные в жидкокристаллическую - смектическую структуру, так как от биомембран как раз и требуется упорядоченность и текучесть – динамичность.

Благодаря своей динамичности жидкие кристаллы одних и тех же веществ могут быть в разных кристаллических модификациях, образовывать разные структуры дальнего порядка. Это свойство называется полиморфизмом - многоформностью кристаллов. Под действием электрического поля,при изменении температуры, химического состава окружающей среды могут наблюдаться переходы из одной жидкокристаллической модификации в другую. Это сопровождается изменением свойств жидкого кристалла, например, коэффициента преломления, поглощения и отражения света на разных длинах волн. Поэтому, например, при изменении температуры или под действием следов примесей жидкий кристалл может менять свой цвет. Это позволяет использовать жидкие кристаллы как датчики температуры и химические анализаторы. Изменение оптических свойств жидких кристаллов под действием электрического поля используется в дисплеях, телевизорах на жидких кристаллах, в цифровых индикаторах часов. Структурные изменения в жидких кристаллах играют также важную роль в функционировании биологических мембран.