НОВОСИБИРСК 2007

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

54Н624

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

Методические указания к семинарским занятиям по курсу«Концепции современного естествознания»

Е.И. НИКИТИНА, Т.М. ПРОСТЯКОВА

УДК 532.783Н624

Н и к и т и н а Е.И., П р о с т я к о в а Т.М. Жидкие крис-таллы: Метод. указ. к семинарским занятиям по курсу «Кон-цепции современного естествознания». — Новосибирск: Изд-воСГУПСа, 2007. — 23 с.

В работе обсуждаются вопросы жидкокристаллического состояния веще-ства: история открытия, классификации, свойства, применение, получениежидких кристаллов; приводятся контрольные вопросы и творческое задание.

Указания соответствуют программе курса «Концепции современногоестествознания» для инженерно-экономических, психологических, юриди-ческих специальностей высших учебных заведений и предназначены длястудентов дневного и заочного отделений.

Рассмотрены и рекомендованы к печати на заседании кафедры«Химия».

Ответственный редакторд-р хим. наук, проф. С.А.Кутолин

Ре ценз ент ы:д-р техн. наук, проф. кафедры физики СГУПСа

П.М. Плетневканд. физ.-мат. наук, доц., ст. науч. сотр. ОИГГиМ СО РАН

В.Н. Меленевский

Никитина Е.И., Простякова Т.М., 2007 Сибирский государственный университет

путей сообщения, 2007

3

Жидкие кристаллы — именно такие вещества,степень организации которых лежит междуупорядоченностью жидкостей, кристаллическихтвердых тел и простейших живых клеток.

Дж. Бернал

Некоторое время тому назад необычной популярностью вСША пользовалась новинка ювелирного производства, полу-чившая название «перстень настроения». За год было продано50 миллионов таких перстней, т.е. практически каждая взрос-лая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекловнимание любителей бижутерии? Камень перстня обладалсовершенно мистическим свойством реагировать на настроениеего владельца, меняя свою окраску от красного до фиолетово-го, включая все цвета радуги, в зависимости от настроения.Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы столкнулисьс загадочным термином «жидкие кристаллы». Сейчас мы всечаще общаемся с ними, и они играют немаловажную роль внашей жизни. Интерес к ним прежде всего обусловлен возмож-ностями их эффективного применения во многих отрасляхпроизводственной деятельности. Внедрение жидких кристал-лов означает экономическую эффективность, простоту, удоб-ство. Многие современные электронные технические и быто-вые приборы и устройства работают на них. Это часы, термо-метры, мониторы, калькуляторы, пейджеры и другое. Жидко-кристаллические соединения широко используются длясоздания разнообразных электрооптических систем, а такжеиграют существенную роль в биологических процессах.

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состоя-ние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойствакристалла и жидкости. Жидкокристаллическое состояние ве-

4

щества иногда называют мезоморфным состоянием, а жидкийкристалл — мезофазой (от греч. «мезос» — промежуточный).

Подобно обычной жидкости жидкие кристаллы обладаюттекучестью и принимают форму сосуда, в который онипомещены; их вязкость, в зависимости от типа кристалла,может меняться от вязкости воды до вязкости густого масла;они обладают характерным свойством жидкости — поверхно-стным натяжением. Наряду с этими свойствами жидкиекристаллы обладают упорядоченным расположением в про-странстве молекул, их образующих, что характерно длясобственно кристаллов, хотя надо отметить, что упорядочениене такое полное, как в обычных кристаллах. Также как итвердые кристаллы, жидкие кристаллы обладают зависимос-тью ряда физических свойств от выбранного направления, чтополучило название анизотропии.

1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВСо времени открытия жидких кристаллов прошло более ста

лет. Впервые в 1888 г. их обнаружил австрийский ученый-ботаник Фридрих Рихард Корнелиус Рейнитцер, профессорБотанического института в Граце. Изучая влияние холестеринаи его производных на рост и развитие растений, он синтезиро-вал новое вещество — сложный эфир холестерина и бензойнойкислоты — холестерилбензоат. Определяя его температуруплавления, которая является табличной константой всякогонового вещества, он обнаружил, что холестерилбензоат пла-вился как бы в две стадии. При температуре плавления Тпл145 °С кристаллическое вещество превращалось в мутную,сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 179 °Сстановилась прозрачной (рис. 1).

В отличие от точки плавления, температуру, при которойпроисходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкойпросветления Тпр. Вначале Рейнитцер посчитал, что мутнаяжидкость является двухфазной системой, причем одна изфаз — кристаллическая. Только как можно было объяснитьналичие у этой жидкости двойного лучепреломления, свойства,присущего только кристаллам? Он предпринял попытки разде-лить эту смесь, но не достиг успеха. Рейнитцер отправил свои

5

препараты немецкому кристаллографу Отто Леману, в товремя профессору в Дрездене, с просьбой помочь разобратьсяв странном поведении холестерилбензоата. Исследуя их припомощи поляризационного микроскопа, Леман установил, чтомутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотроп-ной. Поскольку свойство анизотропии присуще твердому кри-сталлу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвалего жидким кристаллом (ЖК).

Рис. 1. Первое жидкокристаллическое вещество — холестерилбензоат итемпературная область существования жидкокристаллической фазы

Однако понимание природы ЖК-состояния веществ, уста-новление и исследование их структурной организации пришлозначительно позднее. Серьезное недоверие к самому фактусуществования таких необычных соединений в 20–30-х гг.прошлого столетия сменилось их активным исследованием.Работы Даниеля Форлендера в Германии во многом способ-ствовали синтезу новых ЖК-соединений. Французский уче-ный Жорж Фридель предложил первую классификацию жид-ких кристаллов, шведский физик Карл Озеен и чех Ганс Цохерсоздали теорию упругости, русские ученые Всеволод Констан-тинович Фредерикс и Виктор Николаевич Цветков в СССР в30-х гг. впервые исследовали поведение жидких кристаллов вэлектрических и магнитных полях, чем внесли фундаменталь-ный вклад в физику жидких кристаллов. Однако до 60-х гг.

6

изучение жидких кристаллов не представляло существенногопрактического интереса и носило чисто академический характер.

Отношение к жидким кристаллам резко изменилось в сере-дине 60-х гг., когда в связи с бурным развитием микроэлектро-ники и миниатюризацией приборов потребовались вещества,способные отражать и передавать информацию, потребляя приэтом минимум энергии. Двойственный характер жидких крис-таллов (анизотропия свойств) позволил создать управляемыевнешним электрическим полем быстродействующие и эконо-мичные ЖК-индикаторы, являющиеся основным элементоммногомиллионной «армии» часов, калькуляторов, плоскихэкранов телевизоров, электронных приборов технического ибытового назначения и т.д. Бурное развитие работ по примене-нию ЖК в электронике, оптике и приборостроении стимулиро-вало активную научную деятельность по изучению физическихи химических свойств этих веществ: созывались международ-ные симпозиумы и конференции по жидким кристаллам,организовывались школы для молодых ученых, выпускалисьсборники и монографии. В Англии с 1975 г. начинает издавать-ся международный ежемесячный реферативный журнал пожидким кристаллам Liquid Crystal Abstracts, с 1986 г. — новыймеждународный журнал «Liquid Crystals». В 1990 г. созданоМеждународное общество по жидким кристаллам — Interna-tional Liquid Crystal Society, которое выпускает свое печатноеиздание «Liquid Crystals Today».

Несомненно, весомый вклад в развитие учения о жидкихкристаллах внесли отечественные исследователи. Так, работыИ.Г. Чистякова, А.П. Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина,Л.М. Блинова, А.С. Сонина и многих других служат фунда-ментом ряда эффективных технических приложений жидкихкристаллов.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВВсе жидкие кристаллы — это искусственно полученные или

природные органические вещества. Молекулы, образующиежидкие кристаллы, имеют сравнительно большой молекуляр-ный вес и удлиненную асимметричную форму с полярнойгруппой на конце, например, –CN, –NO2, –NH2, иногда они

7

включают бензольное кольцо. Молекулы ЖК имеют линейно-вытянутое строение, а для их центральных групп характерноналичие двойной связи между молекулами углерода. Двойнаясвязь препятствует вращению и обеспечивает жесткость моле-кулы по отношению к ее длинной оси. Наличие в молекулахЖК групп с высокой поляризуемостью (дипольные моментыих высоки) обусловливает действие значительных сил межмо-лекулярного взаимодействия, которые выстраивают молекулытак, что их длинные оси оказываются параллельными.

По способу получения жидкие кристаллы делятся на дватипа. Один из них обнаружил Ф. Рейнитцер, нагрев холесте-рилбензоат до определенной температуры. Такие ЖК впослед-ствии получили название термотропных. Термотропные ЖКобразуются при нагревании твердых кристаллов или охлажде-нии изотропной жидкости и существуют в определенном интер-вале температур. Ряд жидких кристаллов образуются прирастворении твердых органических веществ в различных ра-створителях, например в воде. Они образуют так называемыелиотропные («лио» — растворять) жидкие кристаллы. Моле-кулы лиотропного жидкого кристалла, так же как и термотроп-ного, имеют удлиненную форму. Но для образования лиотроп-ного жидкого кристалла необходимо еще одно важное свойствомолекул — амфифильность, что означает «любовь» к обеимсторонам. Этими «сторонами» является вода и жир. Поэтомуамфифильная молекула состоит из двух частей: гидрофильной,любящей воду, и липофильной, любящей жир. Гидрофильнаячасть полярна, т.е. обладает постоянным дипольным момен-том. Эта часть молекулы смешивается с водой в любыхсоотношениях, но нерастворима в жире. Липофильная частьмолекулы неполярна, она хорошо растворяется в жире и нерастворяется в воде. Примерами гидрофильной части могутслужить такие радикалы, как –СООН, –ОН, –СООNa и др.Липофильной частью служат углеводородные цепочкиСН3(СН2)n–. К лиотропным жидким кристаллам относятсясистемы мыло-вода. Лиотропные жидкие кристаллы наиболеечасто образуются биологическими системами, функционирую-щими в водных средах.

8

Как термотропные, так и лиотропные ЖК обычно имеютнесколько модификаций (жидкокристаллических фаз), каж-дой из которых на фазовой диаграмме соответствует опреде-ленная область. Температурный интервал существования жид-кокристаллических фаз зависит от вещества и может находить-ся как при низких (до –60 °С), так и при высоких температурах(до 400 °С). В отличие от термотропных жидких кристаллов,где формирование определенного типа мезофазы определяетсялишь температурой, в лиотропных системах тип структурнойорганизации определяется двумя параметрами: концентрациейвещества и температурой.

В зависимости от характера расположения молекул соглас-но классификации, предложенной еще в начале прошлого векаЖоржем Фриделем, различают три основных типа структурЖК-соединений: нематический (от греч. «нема» — нить),смектический (от греч. «смегма»— мыло) и холестерический.

Нематический тип жидких кристаллов (нематики) характе-ризуется наличием только одномерного ориентационного по-рядка длинных или коротких осей молекул. Направлениепреимущественной ориентации осей молекул принято называтьдиректором. Центры тяжести молекул расположены в про-странстве хаотично, и дальний порядок наблюдается только поотношению к их ориентации (рис. 2, в). Нематическая фазатекуча, рентгеноструктурный анализ показывает, что она похо-жа на обычные жидкости.

Смектический тип жидких кристаллов (смектики) ближевсего к кристаллическим телам. Молекулы располагаются вслоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях. Приэтом длинные оси молекул в каждом слое могут располагатьсякак перпендикулярно плоскости слоя, так и под некоторымуглом (рис. 2, б). Смектические жидкости не текут свободно,они скользят в одной плоскости. Рентгеноструктурный анализуказывает на структуру, состоящую из последовательностиплоских слоев, расстояние между которыми больше, чемрасстояние между молекулами в кристалле. Смектическаяфаза может плавиться, превращаясь в изотропную жидкость.

9

Холестерический тип жидких кристаллов (холестерики)получил свое название потому, что большинство из них явля-ются сложными эфирами холестерина. Это наиболее сложныйтип упорядочения молекул, которые содержат асимметричес-кий атом углерода. Это означает, что такие молекулы являютсязеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симмет-ричных молекул нематиков. Примером, иллюстрирующимотсутствие зеркальной симметрии, могут служить левая иправая руки человека, которые мы никогда не можем совмес-тить друг с другом. Если в жидкокристаллическом образцехолестерика выбрать мономолекулярный слой (слой толщиной

а) б)

в) г)

Рис. 2. Основные типы упорядоченного расположения молекул:а — твердый слоистый кристалл; б — смектик; в — нематик;

г — жидкость

1 0

в одну молекулу), то молекулы в нем будут располагатьсяпочти параллельно друг другу, т. е. напоминать по строениюнематик. Следующий соседний мономолекулярный слой «уст-роен» аналогично. Отличие одно: при переходе от слоя к слоюдиректор поворачивается на небольшой угол и тем самымописывает спираль (рис. 3). Холестерик — это закрученныйнематик. Холестерики во многих отношениях подобны немати-кам, но имеют и отличия: красивую радужную окраску, боль-шую вязкость, способность поворачивать плоскость поляриза-ции света.

Рис. 3. Спиральная структура холестериков:Р — шаг спирали

1 1

3. СВОЙСТВА ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВАнизотропия физических свойств — основная особенность

жидких кристаллов. Поскольку основным структурным при-знаком жидких кристаллов является наличие ориентационногопорядка, то естественно, что все их свойства так или иначеопределяются степенью ориентационного упорядочения. Ко-личественно степень упорядоченности жидкого кристалла оп-ределяется параметром порядка S, введенным В.И. Цветковымв 40-х гг. прошлого века. В полностью разупорядоченнойизотропно-жидкой фазе S = 0, в полностью твердом кристаллеS = 1. Параметр порядка жидкого кристалла лежит в пределахот 0 до 1. Именно существование ориентационного порядкаобусловливает анизотропию всех физических свойств жидкихкристаллов.

ЖК обладают анизотропией упругости, электропроводнос-ти, магнитной восприимчивости и диэлектрической проницае-мости, оптической анизотропией (явление двупреломления),сегнетоэлектрическими свойствами (способность в определен-ном интервале температур к самопроизвольной поляризации,зависящей от внешнего воздействия) и др.

4. «ПРОФЕССИИ» ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВПри проведении различных экспериментов было установле-

но, что под действием электрического и магнитного полейпроисходит переориентация длинных молекулярных осей не-матиков. Под действием поля молекулы ЖК принимают такоеположение, которое предписывает им поле, а это ведет кизменению оптических свойств. Изменение ориентации дирек-тора под действием поля получило название эффекта (перехо-да) Федерикса. Примером такого распространенного сейчасприменения этого эффекта в практике служат индикаторыэлектронных часов. Современные электронные часы показыва-ют время в «чистом», т.е. цифровом виде. Производство такихчасов стало возможным благодаря жидкокристаллическимцифровым индикаторам, обладающим малой энергоемкостьюи небольшим напряжением (1,5–3,0 В), хорошей сопряженно-стью с электронной схемой, надежностью в работе, контраст-

1 2

ностью изображения, малыми размерами и дешевизной. ЖК-ин-дикаторы дают возможность работать при больших уровняхвнешней освещенности, так как они сами не светят, а толькорассеивают внешний свет, т. е. чем ярче освещено место уста-новки индикатора, тем лучше видны его показания. ИменноЖК-индикаторы являются основой современных калькулято-ров, портативных компьютеров «Notebooks», плоских экрановтелевизоров, словарей-переводчиков, пейджеров и многих дру-гих современных электронных технических и бытовых прибо-ров и устройств.

Жидкие кристаллы позволяют получать не только темно-серые, но и цветные изображения знаков, букв и цифр виндикаторах, а также управлять их цветом, меняя его. Дляэтого используют эффект «гость-хозяин» и эффект деформа-ции слоя ЖК. Эффект «гость-хозяин» заключается в неболь-шом добавлении в нематик («хозяин») молекул дихроичногокрасителя («гость»). Дихроичный краситель — это вещество,спектр поглощения которого зависит от направления поляри-зованного света; молекулы его ориентируются нематиком («хо-зяином»), как и его собственные. Если направление поляризо-ванного света совпадает с ориентацией молекул красителя, томолекулы поглощают свет в определенном спектре, и краси-тель имеет характерный для него цвет. Если направлениеполяризованного света перпендикулярно ориентации молекул,то краситель становится бесцветным. Эффект «гость-хозяин»позволяет создавать любые цветные индикаторные устройства.

В настоящее время большое распространение получилиинтегральные схемы. Для создания блоков и узлов интеграль-ных схем используются различные свойства твердого тела,особенно полупроводников. За счет разнообразных способовобработки отдельных участков им придаются свойства различ-ных элементов (диодов, транзисторов и др.). Создание такихэлементов — многостадийный технологический процесс, тре-бующий постоянного контроля. Требования к методу контролявесьма высокие: он должен быть очень чувствительным ввидумалых размеров элементов. Нематический ЖК оказался при-годным для контроля качества интегральных схем на разныхстадиях изготовления. Принцип действия нематика основан на

1 3

электрооптическом эффекте изменения текстуры нематика поддействием электрического поля: на исследуемый слой наносит-ся нематик, который накрывается стеклянной пластинкой стокопроводящим слоем. При подаче напряжения на исследуе-мый слой, в случае его целостности, ориентация молекулнематика остается неизменной, при наличии дефектов (пор) —электрическое поле меняет ориентацию молекул нематика. Этодает возможность визуализировать очень малые дефекты.Нематик-контролер позволяет определить не только размердефекта, но и его характер: сквозная, несквозная пoра иливыступ на поверхности. С помощью нематика можно опреде-лить имеющиеся обрывы металлизированного слоя, т.е. нема-тик-контролер позволяет довольно быстро и наглядно прове-рить работоспособность схемы.

Наиболее удивительные оптические эффекты, которые на-шли широкое применение в практике, связаны с холестеричес-кими ЖК. Это обусловлено их спиральной структурой, причемшаг спирали Р (см. рис. 3) можно менять самыми различнымивнешними воздействиями: температурой, давлением, электро-магнитным полем, химическими примесями, деформацией,излучением и т.д., а это, в свою очередь, меняет цвет холесте-риков. Спиральная структура холестериков определяет ихуникальную особенность — способность селективно отражатьпадающий свет, «работая» в этом случае как дифракционнаярешетка. В зависимости от величины шага спирали Р, которыйопределяется химической природой холестерика, максимумволны отраженного света может располагаться в видимой, атакже в ИК- и УФ-областях спектра, определяя широкиеобласти использования оптических свойств холестериков.

Зависимость длины волны отраженного света, имеющегомаксимальную интенсивность, от температуры лежит в основеприменения тонких пленок холестериков как измерителейтепловых полей. Если весь интервал существования холестери-ка условно разбить на семь частей, то каждой части будетсоответствовать свой цвет, причем самый «холодный» цвет —красный, самый «горячий» — фиолетовый. Эта область приме-нения холестериков называется термографией. Термографияделится на контактную и дистанционную. Контактная широ-

1 4

ко применяется для диагностики урологических, стоматологи-ческих, неврологических, онкологических и других заболеваний.

Известно, что любое заболевание связано с изменениемтемпературы. Но в ряде случаев медикам необходимо знать несреднюю температуру тела, измеренную термометром, а ееизменение на поверхности тела от точки к точке. Эксперимен-тально установлено, что участки кожи над венами и артерияминесколько теплее, чем другие, и эту разницу можно уловить спомощью холестерических ЖК. Цветная термограмма кожи спомощью ЖК позволяет обнаружить тромбы в венах и артери-ях и вовремя избавиться от них. Этот метод успешно применя-ется в онкологии для ранней диагностики рака. При нанесениислоя холестерического ЖК на исследуемую часть тела опухольпроявляется как «горячая область», окрашенная в голубойцвет. Метод прост, нагляден, безвреден, не требует серьезныхзатрат и специальной аппаратуры. В нейрохирургии использу-ют ЖК для диагностики заболеваний головного и спинногомозга, радикулита. Врачи-офтальмологи с помощью ЖК ис-следуют опухоли глазного яблока, век, определяют положениеинородного тела в области глаза при травме даже в том случае,когда оно не обнаруживается рентгеном.

Контактная термография также применяется для неразру-шающего контроля различных изделий. Это быстрый и деше-вый метод отбраковки различных изделий электронной техни-ки: выпрямителей, интегральных и печатных схем, транзисторов.

Дистанционная терморгафия применяется при изучениираспределения интенсивности излучения ИК-лазеров иСВЧ-источников: СВЧ-излучение попадает на подложку, по-глощающую его, она нагревается, и жидкий кристалл даетдвумерную картину распределения мощности СВЧ-поля.

В будущем жидкие кристаллы ждет еще одно интересноеприменение: смектические ЖК оказались очень чувствитель-ными к ультразвуку, что позволяет исследовать внутренниеорганы человека без рентгена, т.е. без ионизирующих лучей,которые сами по себе опасны для здоровья человека.

Холестерики помогают решать интересные задачи в областиаэродинамики. При оценке аэродинамики моделей летатель-ных аппаратов в аэродинамических трубах одной из характе-

1 5

ристик является скорость теплообмена. ЖК, нанесенные наповерхность модели, способны дать двумерную картину рас-пределения температуры на ее поверхности.

Различные химические вещества, растворяясь в жидкомкристалле, меняют его цвет, т.е. холестерик является индика-тором на химические примеси. Для каждого химическоговещества подбирается «свой» жидкий кристалл. Уже подобра-ны холестерики, реагирующие на присутствие паров хлоро-форма, дихлорэтана, ацетона, бензола, бензина, оксидов азота,хлора, фтора и др., причем они реагируют на ничтожные долипримесей. Это нашло свое применение в охране окружающейсреды: контроль за состоянием воздушных бассейнов городов,промышленных и транспортных центров, оценка состоянияводных бассейнов и отклонений от нормы питьевой воды.

Холестерическая спираль чутко реагирует на механическиевоздействия. Цвет жидкокристаллической пленки меняется отзеленого при нормальном давлении до красного при давлениив несколько тысяч атмосфер, что нашло применение в датчи-ках давления.

Шаг холестерического кристалла оказывается чувствитель-ным и к воздействию ионизирующих излучений. Это свойствохолестериков используется в дозиметрах излучения. В этомслучае сигналом о превышении безопасной дозы ионизирующе-го излучения служит изменение окраски или непосредственныйбуквенный сигнал на специально приготовленной пленке,содержащей холестерик.

Полимеры! Современная жизнь немыслима без полимеров.Полимерами называют высокомолекулярные соединения, ги-гантские молекулы которых построены из множества периоди-чески повторяющихся элементарных звеньев. И в этой областисвое применение нашли ЖК. Жидкокристаллические полиме-ры получают путем «химического связывания» полимерныхцепей с молекулами обычных низкомолекулярных жидкихкристаллов. Прочность таких полимерных волокон оказывает-ся значительно выше. Примером может служить волокно«Кевлар-49». Удельный вес волокна значительно ниже, чем устали, а прочность — выше. Такие волокна нашли широкоеприменение в качестве корда для автомобильных шин, для

1 6

изготовления конвейерных лент, тросов башенных кранов,якорных и судовых тросов, защитной одежды, внутреннихпанелей, внешних обтекателей, рулевых поверхностей и дру-гих частей самолета, антенн и некоторых узлов радиолокато-ров, щитов управления, покрытий для судов, лопастей воздухо-дувок, спортивного инвентаря — лыж, клюшек для хоккея и т.д.

В последнее время интерес к жидким кристаллам возрос состороны создателей различных элементов вычислительныхмашин. Сегодня на базе оптических и электрооптическихсвойств ЖК создается новый класс вычислительных машин —оптических. Для этих целей разрабатываются жидкокристал-лические приборы передачи, отклонения, модуляции и разде-ления светового излучения.

Перспективность холестерических жидких кристаллов какоптических материалов несомненна при создании лазеров дляперестройки частоты излучения.

В последнее время широкое распространение приобретаютсветоволоконные линии для передачи информации. Они состо-ят из длинных стеклянных волокон малого диаметра и хорошитем, что при прохождении через волокна свет практически непоглощается.

Вот далеко не полный перечень существующих и будущихприменений жидких кристаллов. Все сказанное подытоживаетприведенная ниже таблица.

5. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕНесомненный интерес представляют химические вещества

биологического происхождения, играющие важную роль впроцессах, проходящих в живых организмах, которые способ-ны образовывать жидкие кристаллы. Миелиновые оболочкинервов были первыми жидкими кристаллами, обнаруженнымив живых организмах. Сегодня примерами таких веществ могутслужить важнейшие вещества мозга — сфингомиелин, цереб-рон и протагон, хрусталик глаза, белок сократительного веще-ства мышечной ткани — миозин, белок костей и сухожилий —коллаген. В печени синтезируются сложные эфиры холестери-на и жирных кислот, в сыворотке крови человека находятсялипопротеины. Все они являются жидкими кристаллами. Мно-

1 7

гие вирусы, в частности широко известный вирус табачноймозаики, в водных растворах образуют жидкие кристаллы.Жидкокристаллическую структуру образует дезоксирибонук-леиновая кислота (ДНК). Роль ДНК в организме труднопереоценить, она является носителем наследственной инфор-мации. Интересный объект с точки зрения жидкокристалличес-кого строения представляют носители жизни — сперматозои-ды. Они состоят из продолговатой головки и нижнего придат-ка — хвостика. Головка обладает сильным двулучепреломле-нием. Сперматозоиды очень устойчивы: их легче разрушить,чем перевести в твердокристаллическое состояние. Современ-ные структурные исследования показывают, что оболочкиклеток (мембраны) представляют собой типичные ЖК-струк-туры. Мембрана — это та кожица, которая удерживает веще-ство клетки от растекания. Обладая избирательной пропуск-ной способностью, мембраны регулируют в клетках концентра-цию солей, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена.

Мембрана представляет собой вязкую жидкость с белково-липидной структурой, в которой молекулы липидов (жиров)имеют вид длинных нитей, в основном ориентированных в однусторону и расположенных параллельно друг другу. При ком-натной температуре, т.е. в нормальном состоянии живой клет-ки, молекулы липидов свободно перемещаются вдоль плоско-сти мембраны. При резком понижении температуры молекулыжиров останавливаются, мембрана замерзает, т.е. кристалли-зуется. Мембрана, лишенная подвижности, уже не можетвыполнять свои функции, и клетка погибает.

Жидкокристаллическая структура характерна для гемогло-бина крови, пищеварительного фермента трипсина.

Распространенность жидких кристаллов в живых тканях неудивительна. Жидкие кристаллы являются идеальным образо-ванием для этого. Они могут поглощать вещества из газовойили жидкой фазы, могут растворять многие вещества, присоответствующих условиях могут набухать, а затем сжиматься.Жидкие кристаллы необычайно чувствительны к различнымвнутриклеточным процессам, что говорит об их значимости внормальной жизнедеятельности разных органов человека.Отклонения от жидкокристаллического состояния могут при-

1 8

вести к нарушению тех или иных функций (образованиеатеросклеротических бляшек, камней в желчи и др.), возник-новению заболеваний. Роль жидкокристаллического состоянияв биологических системах значительна.

Применение жидких кристалловВнешнее

воздействиеОбласть применения Тип ЖK

Температура Индикаторы температуры Холестерики

Тепловая запись лучом лазера Холестерики, смектики

Оптические фильтры Холестерики, нематики

Визуализация излучения и голография Холестерики, нематики

Тепловая самофокусировка света Нематики

Декоративные и ювелирные изделия Холестерики

Давление идругие

механическиевоздействия

Акусто-оптика (визуализация звуковыхизлучений и др.)

Нематики

Визуализация течений Нематики, холестерикиНеразрушающий контроль качества изделий Нематики

Датчики давления Смектики

Химическиепримеси

Анализ газовых смесей Холестерики

Kриминалистика Холестерики

Электромагнит-ное поле

Электрооптические экраны Нематики, холестерики,смектики

Модуляторы и управляемые оптическиефильтры Нематики

Материалы для нелинейной оптики Смектики

Неразрушающий контроль электрическихцепей Нематики

Электрофотография Холестерики

Ф отохимическая запись изображения ХолестерикиKорпускулярное

излучение Дозиметры излучения Холестерики, смектики

Мир жидких кристаллов бесконечно велик и охватываетширочайший круг природных и синтетических объектов. Явля-ясь двойственными по своей природе, жидкие кристаллы невсегда удается описать с помощью привычных методов ипонятий. Но именно в этом и заключена их привлекательностьдля тех, кто стремится познать еще неизведанное.

1 9

ТВОРЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕДля наблюдения электрооптических эффектов в нематиках

попробуйте синтезировать нематический жидкий кристалл.Получите нематики n-метоксибензилиден-n-(н-бутил)анилин(МББА) и n-этоксибензилиден-n-(н-бутил)анилин (ЭББА).

Для проведения синтеза необходимы следующие химикатыи оборудование:

n-метоксибензальдегид — 1,4 г;n-этоксибензальдегид —1,5 г;n-(н-бутил)анилин — 3,0 г;этанол — 60 мл;вакуумный насос, способный откачать воздух до давления

8–10 мм рт. ст.;круглодонная колба;обратный холодильник;воронка Бюхнера.МББА получается в результате реакции конденсации

n-метоксибензальдегида с n-(н-бутил)анилином (реакции кон-денсации — реакции замещения, при которых выделяетсянизкомолекулярный продукт, в большинстве случаев вода).ЭББА получается в результате аналогичной реакции конденса-ции n-этоксибензальдегида с n-(н-бутил)анилином.

Для получения МББА в круглодонную колбу емкостью25 мл загружают 1,4 г n-метоксибензальдегида и 1,5 гn-(н-бутил)анилина. При встряхивании колбы в течение 15 минобразуется мутная подвижная жидкость. Следующая и после-дняя процедура заключается в фракционной перегонке этойжидкости под вакуумом (давление 8–10 мм рт. ст.) Схемаустановки показана на рис. 4. Первая фракция отбрасывается.В основном отбирается вторая фракция. Это и есть чистыйМББА. Интервал существования мезофазы 20–40 °С.

Для получения ЭББА в круглодонную колбу вместимостью25 мл загружают 1,5 г n-этоксибензальдегида и 1,5 гn-(н-бутил)анилина. В эту смесь надо добавить 5 мл этанола.Реакционную смесь нагревают на водяной бане при t = 80–90 °Св течение 30 мин. Обратный холодильник в реакционномсосуде служит для конденсации паров этанола. После 30 миннагрева колба охлаждается, и в ней появляются слабо-желто-

2 0

ватые кристаллы ЭББА, которые отфильтровываются на во-ронке Бюхнера. Чтобы довести ЭББА до твердого вида, егоочищают двукратной перекристаллизацией из этанола. Пере-кристаллизация заключается в том, что кристаллы ЭББАрастворяют в этаноле, а затем вновь происходит их кристалли-зация, в результате чего кристаллы становятся чище. Рабочийинтервал ЭББА 38–78 °С.

Классическим нематиком, получившим широкое примене-ние в индикаторной технике, является смесь, состоящая из 2/3МББА и 1/3 ЭББА. Теперь у вас имеется возможность полу-чить такую смесь. Рабочий интервал ее от –12 до +54 °С. Надоотметить, что физические характеристики жидких кристалловзависят от степени их очистки, поэтому может оказаться, чтополученные вами кристаллы будут иметь немного отличныехарактеристики, но пусть это вас не смущает!

Рис. 4. Схема установки для получения МББА и ЭББА

2 1

Контрольные вопросы1. Какие вещества называются жидкими кристаллами? Пе-

речислите свойства, объединяющие их с твердыми веществамии с жидкостями.

2. Кем и когда были впервые обнаружены жидкие кристал-лы? Какие еще важнейшие открытия в науке произошли в этовремя?

3. Какие типы классификаций ЖК вы знаете?4. Чем определяются свойства ЖК? Что такое параметр

порядка и в каких пределах он лежит для ЖК?5. Перечислите основные области применения нематиков,

смектиков, холестериков. Есть ли в вашем доме приборы илиаппаратура, работающая на жидких кристаллах?

6. Какое значение имеют жидкие кристаллы в живых орга-низмах?

7. Где, на ваш взгляд, могут еще применяться жидкиекристаллы в будущем?

Библиографический список1. Де Жен П.Ж. Физика жидких кристаллов: Пер. с англ. / Под ред.

А.С. Сонина. М.: Мир, 1977. 400 с.2. Гегузин Я.Е. Живой кристалл. М.: Наука, 1987. 192 с.3. Пикин С.А. Структурные превращения в жидких кристаллах. М.:

Наука, 1981. 336 с.4. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы. М.: Наука, 1982. 208 с.5. Сонин А.С. Кентавры природы. М.: Атомиздат, 1980. 192 с.6. Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов. М.: Наука, 1983.

320 с.7. Сонин А.С. Дорога длиною в век. М.: Наука, 1988. 224 с.8. Сонин А.С. Постижение совершенства. М.: Знание, 1987. 220 с.9. Рэмсден Э.Н. Начала современной химии: Пер. с англ. Л., 1989. 784 с.10. Белиловский В.Д. Эти удивительные жидкие кристаллы. М.: Просве-

щение, 1987. 112 с.11. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты.

Новосибирск: Наука, 1994. 213 с.12. Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости.

Соросовский образовательный журнал. Soros Educational Journal. 1996.№ 11. С. 37–46.

2 2

Оглавление

1. История открытия жидких кристаллов .............................. 42. Классификация жидких кристаллов................................. 63. Свойства жидких кристаллов ..................................... 114. «Профессии» жидких кристаллов ................................. 115. Жидкие кристаллы в живом организме ............................. 16Творческое задание ............................................... 19Контрольные вопросы............................................. 21Библиографический список......................................... 21

Редактор М.А. ТурбинаКомпьютерная верстка Ю.В. Борцова

Учебное издание

Никитина Екатерина ИвановнаПростякова Татьяна Михайловна

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

Методические указания к семинарским занятиям по курсу «Концепции современногоестествознания»

Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98.Подписано в печать 01.02.07.

1,5 печ. л. 1,3 уч.-изд. л. Тираж 300 экз. Заказ № 1665

Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения630049 Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191

Тел./факс. (383) 228-73-81. Е-mail: press@stu.ru