Химическая энциклопедия - жидкие кристаллы

в-ва, переходящие при определенных условиях (т-ра, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллич. состояние, к-рое является промежуточным между кристаллич. состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, Ж. к. обладают текучестью, но при этом для них характерно спонтанное появление анизотропии св-в (оптич., электрич., магнитных и др.) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц (атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллич. состояние часто наз. также мезоморфным (мезофазой). На диаграмме состояния температурный интервал существования Ж. к. ограничен т-рой плавления твердых кристаллов и т. наз. т-рой просветления, при к-рой жидкокристаллич. мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления мезофазы и превращения ее в изотропную жидкость. Молекулы жидкокристаллич. соед. обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преим. параллельно друг другу. Т. наз. термотропные Ж. к. образуются при термич. воздействии на в-во. Такие Ж. к. образуют, напр., производные ароматич. соед., содержащие чередующиеся линейные и циклич. группировки (бензольные кольца). Жидкокристаллич. фаза образуется чаще всего в том случае, если заместители в молекуле располагаются в пара -положении. Большое кол-во термотропных жидкокристаллич. соед. м. б. изображено общей формулой:

X обычно ЧСН=NЧ, -СН 2 ЧСН 2 Ч, -НС=СНЧ, , ЧС(О)ЧNHЧ. Концевыми группами Y и Z м. б. алкильные и алкоксильные группировки, галогены, циано-, нитрои аминогруппы и др. Примеры нек-рых Ж. к. приведены в таблице. Часто жесткие фрагменты молекул, напр., циклич. группировки, определяющие существование мезофазы, наз. "мезогенными". Наличие разветвлений в молекулах приводит к сужению температурного интервала существования мезофазы.

K твердое кристаллич. состояние, I изотропная жидкость (расплав), N нeматики, S(SA, SB, SF смектики, D дискотики, Ch - холестерики. Лиотропные Ж. к. образуются при растворении нек-рых в-в в определенных р-рителях. Напр., водные р-ры мыл, полипептидов, липидов, белков, ДНК и др. образуют Ж. к. в определенном интервале концентраций и т-р. Структурными единицами лиотропных Ж. к. являются надмолекулярные образования разл. типов, распределенные в среде р-рителя и имеющие цилиндрич., сферич. или др. форму. В зависимости от характера расположения стержнеобразных молекул различают три осн. типа Ж. к. смектический, нематический и холестерический. В смектич. Ж. к. (их наз. смектиками, обозначают S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектич. плоскости). Длинные оси молекул могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектич. слоя (ортогональные смектики, рис. 1,а), так и под нек-рым углом к слою (наклонные смектики, рис. 1,б).

Рис. 1. Структура смектических (аи б)и нематических (в) жидких кристаллов ( а - ортогональное, бнаклонное расположение молекул).

Кроме того, возможно упорядоченное и неупорядоченное расположение молекул в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования разл. полиморфных модификаций. Известно св. десятка полиморфных смектич. модификаций, обозначаемых буквами латинского алфавита, смектики А, В, С и т. д. (или S А, S В, SC и т. д.). Формирование смектич. фаз характерно для жидкокристаллич. соед., молекулы к-рых содержат длинные концевые алкильные или алкоксильные группы Y и Z с числом атомов углерода / 4-6. Нематич. Ж. к. (нематики N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при к-ром длинные оси молекул расположены однонаправленно при беспорядочном расположении центров тяжести молекул (рис. 1,в). Нематич. тип Ж. к. образуют соед., в молекулах к-рых имеются короткие алкильные или алкоксильные группы (число атомов углерода [ 3).

Рис. 2. Структура холестерических жидких кристаллов; пунктиром изображен шаг спирали; стрелки указывают направление длинных осей молекул.

Холестерич. тип мезофазы (холестерики Сhоl) образуется двумя группами соед.: производными оптически активных стероидов, гл. обр. холестерина (отсюда назв.), и нестероидными соед., принадлежащими к тем же классам соед., к-рые образуют нематич. Ж. к., но обладающими хиральностью (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной к-ты, азои азоксисоединения и др.). В холестерич. Ж. к. молекулы расположены так же, как в нематических, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью (рис. 2). В-ва с дискообразными молекулами (дискотики D) могут образовывать Ж. к., в к-рых молекулы упакованы в колонки (имеется дальний порядок в ориентации плоскостей дискообразных молекул) или расположены так же, как в нематиках (дальний порядок отсутствует) (рис. 3, а и б). Своеобразная структура жидкокристаллич. соед., обеспечивающая сочетание упорядоченности в расположении молекул с их высокой подвижностью, определяет широкие области практич. использования Ж. к. Направление преимуществ. ориентации молекул, характеризуемое аксиальным единичным вектором, или директором, может легко изменяться под воздействием разл. внеш. факторов т-ры, мех. напряжений, напряженности электрич. и магн. полей.

Рис. 3. Структура дискотических жидких кристаллов: а - колончатая фаза; б - нематическая фаза.