Жидкие кристаллы

I. Жидкие кристаллы — это органические вещества с анизотропными молекулами, имеющими одно- или двухмерный дальний порядок их расположения и, как следствие, анизотропию физических свойств. Определяющую роль в образовании жидкокристаллического состояния играют дисперсионные (ван- дер ваальсовы) силы притяжения между молекулами. В жидкокресталлическом состояние вещество может существовать лишь в определенном интервале температуры (лиотропные жидкие кристаллы, существующие в виде растворов определенных концентраций, изучены мало и здесь не рассматриваются). Ниже этого интервала вещество находится в твердом кристаллическом состоянии, выше — переходит в изотропную жидкость.

По классификации, предложенной Ж. Фриделем, жидкие кристаллы разделяют на три типа: нематическая, холестерическая и смектическая.

К нематическим (НЖК) относятся жидкие кристаллы, нитевидные молекулы которых имеют в своем расположении дальний ориентационный порядок, но не имеют трансляционного порядка. Текучесть НЖК обусловлена тем, что молекулы могут легко скользить относительно друг друга, сохраняя свою ориентацию.

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) являются разновидностью НЖК. Отличие заключается в том, что они образованны оптически активными молекулами, в результате чего структура жидкого кристалла приобретает слоистый характер и имеет винтовую ось симметрии, перпендикулярную направлению ориентации молекул и плоскости слоя.

Смектические жидкие кристаллы (СЖК) также имеют слоистую структуру, но при этом возможны различные виды упаковок молекул в слои. В смектике модификации А молекулы перпендикулярны плоскости слоя и внутри слоя не имеют трансляционного порядка. Смектик В отличается от смектика А тем, что молекулы в каждом слое, оставаясь параллельными друг другу и перпендикулярными плоскости слоя, образуют упаковку гексагонального типа. Смектик С - это наклонная форма смектика А. В этой упаковке существенно то, что толщина слоя меньше длины молекул, а угол наклона молекул может зависеть от температуры.

Идентифицировано еще несколько смектических модификаций. Однако их структура еще точно не выяснена. Кроме того, к смектикам относят обычно любую модификацию, которую нельзя отнести к НЖК или ХЖК.

В настоящее время известно большое количество органических соединений, способных образовывать жидкие кристаллы. Наибольшее количество веществ, существующих в жидкокристаллическом состоянии, это ароматические соединения, содержащие бензольные кольца с заместителями в пара- положении.

Большое значение при этом имеют мостиковые и концевые группы. Классическим примером НЖК является n- азоксианизол, имеющий температуры переходов твердый кристалл (ТК) « НЖК и НЖК « изотропная жидкость (ИЖ) соответственно 116 и 135 0С.

Смектическая мезофаза более упорядочена, чем нематическая, и вследствие этого обладает большей вязкостью. Если какой- либо жидкий кристалл может существовать и в той, и в другой фазах, то температура существования смектической фазы всегда ниже, чем нематической. Примером такого рода жидкого кристалла является терафтил- бис- n- бутиланилин (ТББА). Причем ТББА может существовать в трех модификациях смектических кристаллов: А,В, С. Температура переходов (в градусах Цельсия) следующая:

ИЖ«236 НЖК«200СЖК А«172СЖК С«144СЖК В«113ТК.

Необходимым условием образования холестерической фазы является хиральность (закрученность) молекул жидкого кристалла. Наиболее употребляемыми ХЖК являются производные холестерина, например холестеринбензоат.

Большое внимание уделяется также и так называемым хиральным нематическим кристаллам, имеющим строение, характерное для молекул НЖК, но обладающих оптической активностью, обусловленной асимметричным расположением атома углерода в концевом заместителе. Примером такого рода ХЖК может служить 4- метоксибензилиден- 4(2- метилбутил) анилин:

ИЖ«24ХЖК«21ТК.

Жидкокристаллическую фазу холестерического типа образуют не только чистые холестерики и их смеси, но и смеси нематика с веществом, имеющим хиральные молекулы, причем это вещество в чистом виде может и не образовывать жидкокристаллическую фазу. Это дает возможность получать широкий интервал значений шага спирали в заданном температурном интервале.

Отдельные вещества, обладающие жидкокристаллическими свойствами, обычно неудобны для практического использования. Причиной этого могут быть неоптимальные значения физико- химических параметров жидкого кристалла, наиболее важными из которых являются температурные границы существования мезофазы и анизотропия проводимости и диэлектрической проницаемости. В то же время, смешивая различные жидкие кристаллы и легируя их специальными добавками, можно существенно менять одни свойства, слабо влияя на другие. Так, например, смешивая однотипные жидкие кристаллы, можно снизить температуру плавления и расширить температурный интервал существования мезофазы. Наилучшие результаты при этом дают эвтектические смеси. Параметры некоторых жидкокристаллических смесей, разработанных для устройств индикации: