История жидких кристаллов

История развития представления о жидких кристаллах

Жидкие кристаллы были открыты в 1886 г. Ф. Рейнитцером и более детально изучены О. Леманом, который и ввел в науку понятие жидкого кристалла. Не смотря на давнюю историю учения о жидких кристаллах, фундаментальные исследования необычных объектов продолжаются до сих пор, и приводят к открытию все новых уникальных свойств, определяющих их многообразные и весьма успешные применения. За фундаментальные исследования в области жидких кристаллов французский ученый де П. Жен был удостоен в 1991 г. Нобелевской премии по физике.

Две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата (рис. 1).

Рис. 1.

Cо времени проведения первой Международной конференции по жидким кристаллам (ЖК), которая состоялась в 1965 г. в Кентском университете (США), связь этих систем с различными аспектами лазерной, дисплейной техники, информационных оптических технологий, термооптики, медицины, др. стала предметом оживленной полемики. Действительно, ЖК, являясь уникальной мезоморфной фазой вещества, сочетают в себе свойства как твердых тел (наличие дальнего ориентационного порядка и проявление брэгговской дифракции), так и жидкостей (проявление текучести, вязкости).

С точки зрения истории вопроса интересно, что само открытие промежуточного жидкокристаллического состояния вещества приписывается австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру, который получил эфир холестерина — холестерилбензоат и обнаружил, что у этого соединения имеются две точки плавления, при которых происходят фазовые переходы разного характера. При 145.5°С структура твердого холестерилбензоата разрушалась, он превращался в мутную жидкость (теперь мы говорим — жидкий кристалл), которая при дальнейшем нагревании до 178.5 становилась прозрачной. Эти наблюдения показали, что у холестерилбензоата имеются три различные фазы: твердая, жидкокристаллическая и жидкая. Рейнитцер описал свой эксперимент в статье, опубликованной в, одном их химических журналов в 1888 г. Обращает на себя внимание необыкновенно деликатный слог письма, которое Рейнитцер написал немецкому физику Отто Леману: «Осмелюсь просить Вас исследовать более тщательно физическую изомерию двух прилагаемых веществ. Изучая эти вещества, удается наблюдать такие замечательные и прекрасные явления, что, я надеюсь, они окажутся в высшей степени интересными и для Вас…». Вскоре Леман провел систематическое исследование органических соединений и нашел, что они по своим свойствам похожи на холестерилбензоат. Каждое из соединений вело себя как жидкость по своим механическим свойствам и как кристаллическое твердое тело — по оптическим свойствам. Леман показал, что мутная промежуточная фаза — это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» — Flussige Kristalle.

Затем Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти соединения мезоморфными и разделил их на три класса.

Соединения, имеющие свойства, схожие с мылами он назвал смектическими (толщина слоя в смектических ЖК порядка длины молекул и составляет 20 A), далее шли нематические структуры, схожие со смектиками по своим оптическим свойствам, а затем — холестерические системы (в холестерических ЖК молекулы уложены в слои толщиной около 2000A), поскольку к ним относилось большое число производных холестерина. Заметим, что сам Фридель не считал холестерические ЖК отдельным классом и рассматривал их как нематические ЖК. Так что же предсавляет из себя жидкий кристалл?

Жидкий кристалл — состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В кристаллическом твердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки, называемой кристаллической решеткой, и могут лишь вращаться в своих фиксированных позициях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.

Почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения; примерно 50% всех известных органических соединений при нагревании образуют жидкие кристаллы. В литературе описаны также жидкие кристаллы некоторых гидроксидов (например, Fe2O3· xH2O).

Жидкие кристаллы, жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние — состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией свойств). ЖК образуют вещества, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Различают термотропные и лиотропные ЖК. 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 ЖК — растворы некоторых веществ в определённых растворителях. Примеры: водные — бензил-L-глутамат)gрастворы мыльные растворы синтетических полипептидов (полив ряде органических растворителей (диоксан, дихлорэтан). ].

Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК — состоянии, и число таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлись только вещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, так называемые каламитики (от греч. «каламис» — тростник), то впоследствии было обнаружено, что в ЖК — состояние могут переходить самые разнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины и др.). Молекулы ЖК — соединений очень часто называют мезогенами, а группировки или фрагменты молеку, способствующие формированию ЖКфазы, — мезогенными группами. В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а также химические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики) (от греч. «санидис» — планка).

Среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок (-CH=CH-, -CH=N-, -NH-CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК — соединений является асимметричная форма молекул, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.

Типичные примеры химических соединений, образующих ЖК — фазу.