9.3. Рідкі кристали

Рідина, у якій існує дальній порядок у розміщенні і взаємній

орієнтації молекул, називається рідкокристалічною. Вона має як властивості рідини (плинність), так і властивості твердого тіла (анізотропію електропровідності, теплопровідності, діелектричної проникності, магнітної сприйнятливості, оптичних властивостей).

Такий стан характерний для речовин, які мають довгі молекули. Існують ліотропні і термотропні рідкі кристали. Перші поширені в живих організмах (мембрани клітин, віруси), це розчини мила у воді та ін. Термотропні рідкі кристали існують у певному інтервалі температур.

За ступенем упорядкованості молекул розрізняють нематичні, смектичні і холестеричні рідкі кристали. У нематичних кристалах ниткоподобні молекули орієнтуються паралельно (рис. 9.6,а). У смектичних кристалах молекули розташовуються шарами паралельно один до одного (рис. 9.6,б). У холестеричних кристалах (різновид нематичних) молекули в одній площині розміщуються паралельно одна до одної, але молекули кожної наступної площини повернуті на деякий кут відносно попередньої, утворюючи спіралеподібну форму (рис. 9.6,в).

Рідкі кристали мають впорядковану структуру, яка дозволяє молекулам переміщуватися поступально, і не дозволяє їм обертатися. Молекули рідких кристалів змінюють орієнтацію під впливом малих електричних і магнітних полів, що використовується для візуалізації інформації в рідкокристалічних моніторах комп’ютерів, телевізорів часах та ін. Холестеричні рідкі кристали змінюють забарвлення при зміні температури, що застосовується для вимірювання температури.

Система «мило – вода» – типовий приклад ліотропного смектичного рідкого кристала. Молекула мила має головку, яка розчиняється у воді, і вуглеводний, не розчиненого у воді, ланцюжок. Від’ємним електричним зарядом мильні диполі орієнтуються перпендикулярно до молекул води. Виникає структура подвійних шарів, в якій подвійний молекулярний шар мила межує з шаром води (рис.9.7,а).

Шарувата структура забезпечує рухливість шарів. Мило, як поверхнево-активна речовина, зменшує поверхневий натяг води, проникає в пори, зменшує сили зв’язку забруднюючих частинок з поверхнею, завдяки чому вони легко переходять у миючий розчин. Бішарувата ліпідна фаза біологічних мембран подібна системі мило-вода.

а б в

Рис. 9.6

Щоб позбутися країв, біліпідний шар намагається замкнутися на себе, набуваючи кільцеподібної форми (рис 9.7,б). Важливу роль рідкокристалічний стан біологічних мембран відіграє у процесах йонного транспорту, механізмах фотосинтезу і зору, в процесах самоорганізації біологічних структур.

а б

Рис. 9.7

Контрольні запитання

1. Чим реальний газ відрізняється від ідеального?

2. Запишіть рівняння Ван-дер-Ваальса.

3. Чому внутрішня енергія реального газу залежить від об’єму?

4. Який фізичний зміст коефіцієнтів a і b у рівнянні Ван-дер-Ваальса.

5. Чим відрізняється газ від пари?

6. Чим обумовлені аномальні властивості води?

7. Які особливості поверхневого шару рідини?

8. Дайте визначення коефіцієнта поверхневого натягу.

9. Як проявляється явище змочування?

10. Чим пояснюють наявність крайових кутів?

11. За якою формулою визначається додатковий тиск на рідину?

12. Що називається капілярами?

13. Які явища називаються капілярними?

14. Що називається рідкими кристалами?

15. Які існують види рідких кристалів?

16. Якими властивостями характеризуються рідкі кристали?

17. Як розрізняють рідкі кристали за ступенем упорядкованості ?

18. Яка роль рідкокристалічних кристалів у біологічних структурах?