Жидкие кристаллы

Жи́дкие кристаллы

Жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние, состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией (См. Анизотропия) свойств). Ж. к. образуют вещества, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Различают термотропные и лиотропные Ж. к. Первые — индивидуальные вещества, которые существуют в мезоморфном состоянии в определённом температурном интервале, ниже которого вещество является твёрдым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Примеры:

параазоксианизол (в интервале температур 114—135°С), этиловый эфир азоксибензойной кислоты

(100—120°С), пропиловый эфир Холестерина (102—116°С). Лиотропные Ж. к. — растворы некоторых веществ в определённых растворителях. Примеры: водные растворы мыльные растворы синтетических полипептидов (поли-γ-бензил-L-глутамат) в ряде органических растворителей (диоксан, дихлорэтан).

Взаимное расположение молекул в Ж. к. является промежуточным между твёрдыми кристаллами, где существует трёхмерный координационный дальний порядок (упорядоченность в расположении центров тяжести молекул) и ориентационный дальний порядок (упорядоченность в ориентации молекул), и аморфными жидкостями, в которых дальний порядок полностью отсутствует (см. Дальний порядок и ближний порядок). По степени молекулярной упорядоченности различают нематические и смектические Ж. к. (терминология Ж. Фриделя, G. Friedel). Нематические Ж. к. (параазоксианизол, растворы синтетических полипептидов) характеризуются ориентацией продольных осей молекул вдоль некоторого направления (дальний ориентацнонный порядок, рис., а). Упорядоченность в ориентации поперечных осей молекул и в расположении их центров тяжести отсутствует. Это обеспечивает свободу поступательных перемещений молекул. Поэтому вязкость вещества в нематической фазе лишь незначительно отличается от вязкости в аморфно-жидком состоянии.

В смектических Ж. к. (этиловый эфир азоксибензойной кислоты, водные растворы мыл) концы молекул как бы закреплены в плоскостях, перпендикулярных продольным осям молекул (смектические плоскости, рис., б). Дальний порядок в расположении поперечных осей и центров тяжести молекул также отсутствует. Текучесть обеспечивается взаимным скольжением смектических плоскостей.

Существуют также Ж. к. холестерического типа (разновидность нематических Ж. к.). Такие Ж. к. образуют вещества (например, пропиловый эфир холестерина), молекулы которых имеют форму продолговатых пластинок, расположенных параллельно друг другу. Координационный дальний порядок отсутствует. Текучесть вещества обеспечивается поступательным перемещением и вращением молекул в их плоскости.

Внешнее различие между нематическими и смектическими Ж. к. легко может быть установлено при наблюдении их однородных слоев в поляризационном микроскопе. Каждому типу Ж. к. соответствуют определённая текстура, причём для нематических Ж. к. наиболее характерными являются нитеобразные, а для смектических — палочкообразные, конусообразные и ступенчатые структуры. Нити в нематических Ж. к. являются линиями разрыва оптической непрерывности. Они называются дисклинациями, и текстура Ж. к. определяется характером расположения молекул вблизи дисклинаций.

Некоторые термотропные Ж. к. могут находиться в двух мезоморфных состояниях (см. Полиморфизм). При этом структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твёрдокристаллическая фаза — смектическая — нематическая — аморфно-жидкая и являются фазовыми переходами (См. Фазовый переход) первого рода (с выделением теплоты фазового перехода (См. Теплота фазового перехода)). Теплота перехода Ж. к. в аморфную жидкость в десятки раз меньше теплоты плавления органических твёрдых кристаллов.

В Ж. к. имеет место анизотропия упругости, электропроводности, вязкости, Магнитная анизотропия, оптическая анизотропия и др. С ростом температуры анизотропия свойств Ж. к. уменьшается, что обусловлено уменьшением упорядоченности в расположении молекул. В магнитном поле Ж. к. ориентируются так, чтобы их ось симметрии была параллельна силовым линиям магнитного поля. В электрическом поле ориентация оси симметрии может быть как параллельной, так и перпендикулярной силовым линиям поля.

Холестерические Ж. к. обладают весьма большой оптической активностью (См. Оптическая активность), на два-три порядка превышающей оптическую активность органических жидкостей и твёрдых кристаллов. Холестерические Ж. к. резко изменяют окраску при изменении температуры среды на десятые доли градуса, а также при изменении состава среды на доли процента.

Лит.: Цветков В. Н., Современные взгляды на природу анизотропно-жидкой фазы. «Уч. зап. Ленинградского пед. института», 1938, т. 10, с. 33; Чистяков И. Г., Жидкие кристаллы, М., 1966; Gray G. W., Molecular structure and the properties of liquid crystals, L. — N. Y., 1962; Жидкие кристаллы, пер. с франц., «Природа», 1972, № 2; Чистяков И. Г., Вистинь Л. К., Симметрия, структура и свойства жидких кристаллов, там же.

Е. И. Рюмцев.

Характер расположения молекул в жидких кристаллах: а — в нематических жидких кристаллах молекулы расположены параллельно, но их продольные сдвиги беспорядочны; б — в смектических кристаллах молекулы собираются слоями.