Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек - Сергей Бердышев

Жидкокристаллическое состояние

Все знают, что генетический код человека и прочих живых существ закодирован в последовательности атомов молекулы ДНК (подробнее о наследственности и генетике рассказано в главе 9). Но мало кто подозревает, что ДНК имеет что-то общее с плоским телевизором, с индикатором от часов, с устройствами визуализации в термометрии, термографии, медицине, технике отображения электронной информации или, наконец, с «перстнем настроения», который показывает, какое настроение у его хозяйки. И тем не менее все перечисленные устройства работают на материалах, которые, подобно ДНК, пребывают в жидкокристаллическом состоянии.

Открыты жидкие твердые тела

Удивительно, но биологи и химики принесли физике немало пользы, хотя единство всех наук было фактически признано лишь в начале XX в. И лишь за последние 50 лет ученые убедились в плодотворности сотрудничества специалистов из разных областей знания. Наиболее впечатляющие (001 открытия почти всегда совершались на стыке совершенно различных наук. Так получилось и на сей раз. Честь открытия жидких кристаллов принадлежит австрийскому ботанику Рейнитцеру. В 1888 г. он проводил исследования нового сложного соединения, которое сам же синтезировал, — холестерилбензоата.

Это вещество существовало в нормальных условиях в кристаллической форме и плавилось только при высоких температурах. Вот здесь-то и заключался главный парадокс. Стоило нагреть кристаллики до +145 °C, как вещество немедленно плавилось. Однако дальнейший нагрев жидкости приводил к еще более удивительным превращениям. Мутная и вязкая, обладающая высоким рассеянием световых лучей, она полностью преображалась при температуре +179 °C. Стоило ботанику настолько подогреть жидкость, как она становилась прозрачной и водянистой на вид.

Промежуточное состояние между кристаллическим и нормальным жидким получило в дальнейшем название мутной фазы. Заинтригованный Рейнитцер провел исследование мутной фазы под микроскопом, в результате чего выявил двойное лучепреломление вещества. При этом двупреломления не наблюдалось в обычной жидкости холестерилбензоата, да и не могло наблюдаться. Ведь оно является свойством, присущим настоящим кристаллическим телам. Данный эффект возникает благодаря строгой ориентации молекул вещества, вызывающей поляризацию световых волн — их предпочтительное движение в заданной плоскости относительно т. н. оптической оси кристалла.

Ботаник не догадался о совершенном им открытии, но предположил, что в мутной жидкости оставались мелкие нерасплавившиеся кристаллики, не различимые под микроскопом. Лишь дальнейшие исследования необычной фазы, проведенные в прошлом столетии, позволили развеять все сомнения. Выяснилось, что научный мир столкнулся с новым агрегатным состоянием вещества, промежуточным между жидким и твердокристаллическим.

Жидкокристаллическая фаза свойственна далеко не всем веществам, но только органическим соединениям, характеризующимся крупными и массивными молекулами со структурой высокой степени сложности. Фаза приходится на небольшой интервал температур от температуры плавления настоящего кристалла до температуры перехода вещества в настоящую жидкость. Жидкий кристалл текуч и легко принимает форму сосуда.

Одновременно он обладает упорядоченным молекулярным строением: его частицы строго выстроены относительно друг друга и демонстрируют свойство определенной пространственной ориентации. На первый взгляд такое невозможно, поскольку порядок подразумевает наличие кристаллической решетки. Это устойчивая система, в узлах которой расположены центры масс молекул. Она жестко связывает молекулы и тем самым не допускает текучести вещества.

Откуда взялись противоположные качества у одного вещества? Дело в том, что жидкие кристаллы полностью лишены кристаллической решетки. Их порядок строгий, но не жесткий. Закрепления в определенных точках относительно друг друга не происходит, отчего в некоторых областях кристалла наблюдается небольшой беспорядок. Он-то и обеспечивает свойство текучести жидкого тела. Вместе с тем предпочтительная ориентация молекул обусловливает типично кристаллическую характеристику веществ в данном агрегатном состоянии, каковой является анизотропия.

Под анизотропией в физике понимается разделение физических свойств по направлениям. То есть физические свойства проявляют себя в одном направлении и не проявляют или проявляют иначе в другом. Таким образом, внутри всякого кристаллического тела есть предпочтительное направление свойств упругости, диэлектрической проницаемости, электропроводности, оптических свойств и др. Жидкие кристаллы анизотропны, равно как и настоящие твердые тела.

Вместе с тем уникальное агрегатное состояние обладает качествами, не типичными для остальных фаз вещества. В первую очередь обращает на себя внимание зависимость оптических свойств жидких кристаллов от условий окружающей среды.

Ученые различают несколько типов структурной организации жидких кристаллов: нематические кристаллы, смектические, холестерические и дискотические. Кристаллы с соответствующим строением называются нематиками, смектиками, холестериками и дискотиками, причем первые представляют собой наиболее простой по строению тип веществ данной фазы. Дискотики обладают молекулами в форме дисков, а остальные имеют молекулы-стержни.

Жидкокристаллическую фазу всегда образуют только сравнительно плотные вещества с компактно уложенными крупными молекулами дисковидной или стержневидной формы. На то есть несколько причин, в основе которых лежит такое обыкновенное межмолекулярное взаимодействие. Молекулы, о чем сообщают школьникам на первых уроках физики, притягиваются и отталкиваются. Силы притяжения имеют электромагнитную природу. Они заставляют частицы вещества сближаться, а силы отталкивания препятствуют взаимному проникновению молекул.

При высокой концентрации крупных молекул со сложной формой — стержней или дисков — они начинают за счет сил отталкивания мешать друг другу свободно двигаться. Дисковидная молекула не может, к примеру, встать на ребро, а стержневидная не может произвольно повернуться поперек. Все частицы принимают примерно однонаправленное расположение. Таким образом, форма молекул задает их пространственную ориентацию.

Различают два способа образования жидких кристаллов. Прежде всего вещество в это агрегатное состояние можно перевести с помощью нагревания. Именно так получил мутную фазу холестерилбензоата Рейнитцер. Если продлить нагревание жидкокристаллической фазы, то энергия молекул возрастет и они станут двигаться гораздо быстрее. Постепенно беспорядочное тепловое движение станет преобладать, в результате чего кристалл перейдет в жидкое состояние. Принято говорить, что кристалл плавится. При застывании расплава образуется обычный твердый кристалл.

Плотность жидкого кристалла может быть очень низкой, близкой к плотности жидкости. Но есть и плотные тела, подобные по консистенции пасте. Такие жидкие кристаллы называют термотропными. Кроме них, различают лиотропные жидкие кристаллы, которые образуются при растворении какого-либо вещества в другом. Растворяемое вещество называется мезогеном, потому что сама фаза называется еще мезоморфной.

Типичными лиотропными кристаллами являются биологические мембраны. Мембрана представляет собой молекулярную стенку, отделяющую живое вещество клеток от окружающей среды. Она сложена двумя слоями липидных молекул, т. е. имеет толщину порядка 10 нм максимум. При этом длина волны зеленого излучения в 50 раз больше! Настолько хрупка грань между живым и неживым. Липиды представляют собой мезоген, который образует двухслойную структуру мембраны при взаимодействии с жидкой средой клетки.

Изобретается техника на жидких кристаллах

Холестерические кристаллы используются для изготовления пластинчатых термометров для грубого определения температуры. В настоящее время спрос на эти изделия несколько снизился, зато лет 10 назад подобные устройства были весьма популярны, особенно среди школьников. Дети имели при себе пластинки, которые было удобно носить на одежде.

Пока температура тела нормальная, пластинка высвечивает букву «N», с которой начинается слово Normal (temperature). При повышении температуры выше нормы пластинка меняет цвет и высвечивает букву «F», с которой начинается слово Fever — жар. Как только ребенок замечает появление этой буквы, он обращается к родителям, и те уже измеряют ему температуру с помощью обычного градусника.