ФІЗИКА

Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

 

Розділ 6 БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ В КОНДЕНСОВАНОМУ СТАНІ

 

6.4. Структура і властивості рідких кристалів

 

Наприкінці XIX ст. були відкриті речовини, внутрішня структура яких у рідкому стані мала властивості, характерні як для рідин (велика текучість, здатність перебувати в краплеподібному стані, злиття краплин при зіткненні), так і для твердих тіл (анізотропія). Такий стан речовин було названо мезоморфним, що означає стан з проміжною структурою, а самі речовини пізніше почали називати рідкими кристалами. Трапляються вони досить часто. Із двохсот заново синтезованих речовин щонайменше одна — рідкокристалічна. Нині кількість рідких кристалів перевищує 3000.

У 1888 р. ботанік Ф. Рейнітцер (Австрія) опублікував свої спостереження про поведінку синтезованого ним холестерилбензоату при зміні температури. Кристали цієї речовини плавились за температури 145,5 °С і перетворювалися в каламутну рідину. Ця рідина ставала прозорою за температури 175,5 °С і такою залишалася при подальшому підвищенні температури.

О. Леман (Німеччина) вивчив цю речовину за допомогою поляризаційного мікроскопа і встановив, що каламутна фаза оптично анізотропна. Препарат становив сукупність хаотично орієнтованих мікроскопічних ділянок спонтанної оптичної анізотропії. Розсіяння світла на межі цих ділянок зумовлювало каламутність препарату. Пізніше О. Леман установив, що такі самі властивості притаманні й іншим сполукам: n-азоксианізолу, n-азоксифенетолу, етиловому ефіру n-азоксибензойної кислоти.

Сам факт існування речовини в рідкокристалічному стані ставився під сумнів ще протягом 20 років. Проте численні дослідження О. Лемана, Г. Шенка та інших учених переконливо довели, що рідкокристалічний стан є самостійним термодинамічним станом речовини, а рідкі кристали відрізняються від звичайних рідин не лише своїми оптичними властивостями, а й електричними, магнітними тощо. О. Леман поділив рідкі кристали на два види: «власне рідкі кристали», в’язкість яких близька до в’язкості води, і «текучі кристали», в’язкість яких перевищує в’язкість перших у 10 разів.

Ж. Фрідель, як і О. Леман, розрізняв два рідкокристалічних стани. Для них він увів нові терміни: «смектпичний» і «нематичний» стани. Вони об’єднуються загальною назвою — «мезоморфний» стан. Слово «смектичний» походить від грецького слова «смегма» — мило, оскільки цей стан властивий багатьом милам, а «нематичний» — від грецького «нема» — нитка: для речовин у цьому стані під мікроскопом спостерігаються тонкі рухливі нитки. Термін «мезоморфний» («мезо» означає проміжний) вказує на те, що смектичному й нематичному станам властива молекулярна впорядкованість, проміжна між впорядкованістю молекул у кристалах і аморфних тілах.

Слід також зазначити, що мезофази можуть виникати не лише при нагріванні чи охолодженні певних органічних речовин, а й при розчиненні неорганічних і органічних сполук у певних розчинниках. Такі рідкі кристали називають ліотропними, на відміну від термотропних. До ліотропних рідких кристалів належать, наприклад, водні системи багатьох мил, деяких поліпептидів тощо. Зі збільшенням концентрації розчинника система стає спочатку смектичною, потім нематичною і, нарешті, ізотропною рідиною. Багато речовин утворюють рідкокристалічний стан лише одного типу.

Рідкі кристали довгий час не застосовувалися в техніці. Починаючи з середини 60-х років інтерес до рідких кристалів небувало зріс у зв’язку з успішним використанням їх в оптико- і мікроелектроніці, в різних індикаторних пристроях і т. д. За останні десятиріччя було створено основи фізики рідких кристалів, одержано нові типи рідких кристалів, вивчено їхні властивості, які все ширше застосовуються в науці та техніці.

Теоретично і експериментально доведено, що рідкокристалічний стан речовини є самостійним термодинамічним станом. Отже, можна умовно зазначити ділянку його існування на діаграмі стану (рис. 6.8).

Рис. 6.8

 

Нині загальноприйнятою є класифіація рідких кристалів на три основних стани: нематичний, холестеричний і смектичний.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити