Жидкие кристаллы – состояние вещества, характеризуемое одновременно свойствами как жидкостей, так и кристаллических веществ, например, жидкие кристаллы текучи как жидкости, но при этом сохраняют ориентацию молекул наподобие кристаллов.

История открытия ЖК

Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное.

Чтобы разобраться в этом явлении, он связался с физиком Отто Леманом. Он исследовал полученную жидкость и установил ее кристаллическую структуру. На заседании Венского Химического Общества 3-го мая 1888 он представил свое открытие и описал 3 главных свойства жидких кристаллов: наличие двух точек плавления, отражение циклически поляризованного света и способность поворачивать плоскость поляризации света.

Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Рейнитцер не стал продолжать своего исследования. Работу проболжал Леман, а потом Дэниел Форландер, который за время своей карьеры, продолжавшейся до 1935-го, синтезировал большую часть известных на сегодняшний день жидкокристаллических материалов. В остальном же, популярность жидких кристаллов в научном сообществе была весьма низкой, в первую очередь из-за того, что для них не было никакого практического применения.

После Второй Мировой исследования были продолжены Джорджем Уильямом Греем, который разработал общие представления о том, какой структурой должны обладать вещества для того, чтобы иметь ЖК-свойства. В 1965 он организовал первую конференцию по ЖК, на которой присутствовало около 100 ведущих специалистов по ЖК со всего мира. Конференция обозначила начало международных исследований в этой области, которые положили начало практическому применению ЖК.

Начало применения ЖК для электрических дисплеев началось в 1962 году в лабораториях RCA (Американской Корпорации Радио). При приложении электрического поля к слою нематических кристаллов при температуре 125 С физхимик Ричард Уильямс наблюдал образование регулярной структуры, которая потом стала называться Доменами Уильямса. Это позволило его коллеге Джорджу Хайлмайеру создать первый ЖК-дисплей.

Дальше работа пошла в сторону снижения температуры перехода используемых вещества в ЖК-фазу, так как нагревать дисплеи выше 100 С было довольно непрактично. В 1969 Ханс Келкер успешно синтезировал вещество, образовывавшее нематическую ЖК-фазу при комнатной температуре, MBBA, ставшее одним из самых популярных веществ, использовавшихся в ЖК-дисплеях.

Разработка этого и других стабильных ЖК с низкими температурами плавления привела к быстрой адаптации ЖК для маленьких ЖК-дисплеев в различной электронике.

В 1991 Пьер-Жиль де Жен, работавший в Университете Париж-Юг получил Нобелевскую Премию по физике «за обнаружение того, что методы, развитые для изучения явлений упорядоченности в простых системах, могут быть обобщены на жидкие кристаллы и полимеры».

Классификация жидких кристаллов

ЖК подразделяются по условиям перехода в жк-состояние на термотропные, лиотропные и металлотропные:

Термотропные ЖК переходят в жк-состояние при изменении температуры.
Лиотропные ЖК – фазовый переход в зависимости от температуры и концентрации растворителя.
Металлотропные ЖК – состоят из органической и неорганической фаз, в результате чего фазовый переход оказывается зависимым не только от температуры и концентрации, но и от соотношения органической и неорганической фаз.
Термотропные:
Нематические ЖК

Одна из наиболее распространенных ЖК-фаз – нематическая (от греческого nema – нить). Обычно органические молекулы, образующие нематические фазы, имеют вытянутую, похожую на стержень, форму. Они не образовывают кристаллической решетки даже на ближних порядках, но выстраиваются в ряд по примерно одному направлению. В результате молекулы имеют возможность скользить относительно друг друга. Они так же текучи, как обычные жидкости, но могут легко изменять направление своей ориентации под воздействием внешнего магнитного или электрического поля. Это дает им оптические свойства аналогичные одноосным кристаллам, что делает их очень удобными при изготовлении ЖК-экранов.

Смектические ЖК

Смектические фазы, обычно существующие при более низких температурах, чем нематические, образуют слои, которые могут скользить относительно друг друга наподобие мыла (отсюда название от латинского слова smecticus, обозначающего «имеющий свойства, похоже на свойства мыла»). Внутри слоев молекулы ведут себя как жидкости.

На заглавном рисунке изображен переход смектической фазы жидких кристаллов в нематическую.

Холестерические ЖК

Эта фаза, которую также можно назвать хиральной нематической, может быть образована только молекулами со свойством хиральности (зеркальной симметрии). В этой фазе образуется спиральное закручивание в ориентации молекул, которые располагаются перпендикулярно основной оси спирали. Холестерическими такие кристаллы называются из-за того, что подобные структуры чаще всего образуются производными холестерина.

В недавнее время были также открыты так называемые колончатые фазы, которые часто образуются дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л.Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром.

Лиотропные:

Лиотропные ЖК представляют собой смеси как минимум двух веществ – амфифильной фазы и растворителя. Растворитель заполняет боьлшую часть пространства, обеспечивая веществу текучесть. А амфифильные вещества, одна часть которых растворяется в растворителе, а вторая – нет. Поэтому они объединяются в группы молекул – мицеллы, в которых части, не взаимодействующие с растворителем, группируются внутри, а взаимодействующие – снаружи, таким образом обеспечивая разделение несмешивающихся компонентов. Самым распространенным примеров лиотропного ЖК является обычное мыло.

Концентрация и состав растворителя напрямую воздействуют на образование и структуру мицелл. В результате концентрация растворителя, дествующая как еще одна степень свободы системы, позволяет лиотропным кристаллам образовывать много новых форм, недоступных для обычных термотропных кристаллов. При увеличении концентрации амфифила мицеллы могут выстраиваться в структуры, подобные кристаллическим решеткам, образуя более кристалло-подобные материалы.

Металлотропные:

Также жидкокристаллические фазы могут образовываться на основе легкоплавких неорганических веществ, таких как хлорид цинка, которые могут легко стекловаться. Добавление к таким структурам длинных мылоподобных молекул ведет к образованию ряда новых фаз с ЖК-свойствами, образующимися как в зависимости от концентрации неорганической фазы, так и от температуры.

Жидкие кристаллы в живой природе

Лиотропные жидкие кристаллы широко распространены в живой природе, из-за чего они привлекают внимание таких научных дисциплин, как биомиметическая химия. Например, биологические мембраны и клеточные мембраны – это вид жидких кристаллов. Они достаточно прочны, чтобы удерживать свои молекулы вместе и создавать защитный барьер для клетки, но в то же время достаточно подвижны для обеспечения циркуляции питательных веществ через канальцы и взаимодействие с окружающей средой с помощью специальных белков, встроенных в мембрану.

Жидкие кристаллы: история и классификация