16.1. Классификация, структура и свойства жидких кристаллов

Жидкокристаллическое (ЖК) состояние представляет собой термодинамически стабильное и устойчивое фазовое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущих твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.

ЖК вещества часто называют мезофазными, а образующую ими фазу – мезофазой (от греч. «mesos» – промежуточный). Жидкие кристаллы представляют собой большой класс преимущественно органических соединений. Известно около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК состоянии. Молекулы ЖК соединений часто называют мезогенами, а фрагменты или группировки молекул – мезогенными группами. Наличие ориентационного порядка предполагает, что их структурные элементы являются анизометричными, чаще всего вытянутой или дисковидной формы. Ориентационный порядок проявляется в том, что выделенные длинные или короткие оси структурных элементов ориентированы вдоль некоторых направлений, которых в пространстве может быть одно (одномерный), два (двумерный) или три (трехмерный).

Характерной особенностью структуры жидких кристаллов является чрезвычайно высокая мобильность, т.е. способность легко подвергаться структурным перестройкам. Структурные элементы связаны слабыми дисперсионными силами. Поэтому небольшие внешние воздействия (температура, электрические и магнитные поля, механические напряжения) приводят к заметным изменениям в структуре жидких кристаллов и, следовательно, изменяют их физические свойства.

В зависимости от характера расположения молекул (микроскопического упорядочения) различают три основных типа структур жидких кристаллов: смектический (смектики), нематический (нематики) и холестерический (холестерики). Указанные типы структур относятся к термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 16.1 показаны схемы расположения стержнеобразных и дискообразных молекул в трех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов. Смектический тип жидких кристаллов ближе всего к истинно кристаллическим телам (рис. 16.1, а). Молекулы располагаются в слоях и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики).

Направление преимущественной ориентации осей молекул называют директором, который обозначается вектором n (рис. 16.1, а).

Нематические жидкие кристаллы характеризуются наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики, от греч. «kalamos» – тростник) или коротких (дискотики) осей молекул (рис.16.1, б и г). При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.

Рис.16.1. Основные типы расположения стержнеобразных (а ,б, в) и дискообразных (г) молекул в жидких кристаллах: а – смектическая фаза; б – нематическая;

в – холестерическая; г – искотическая (n – директор)

Наиболее сложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический, образуемый хиральными (оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричных молекул нематиков. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационный порядок; они образуются также при добавлении небольших количеств хиральных соединений (1 - 2 мол. %) к нематикам. Как видно из рис.16.1, в, в этом случае дополнительно реализуется спиральная закрученность молекул, и очень часто холестерик называют закрученным нематиком.

Каждый тип жидкого кристалла самопроизвольно образует свои характерные макроскопические структуры – текстуры.

Нематические жидкие кристаллы характеризуются так называемой шлирен - текстурой (рис. 16.2, а), представляющей собой систему тонких нитевидных линий и точек с нитеобразными черными «хвостами». Эти линии называют дисклинациями (от греч. «kline» – наклон). Они представляют собой места резкого изменения ориентации длинных осей молекул.

Характерной текстурой смектиков является веерная текстура, которая во многом напоминает кристаллы обычных твердых тел (рис. 16.2, б), что подчеркивает наибольшую аналогию в структурной организации двумерно - упорядо­ченных смектиков и трехмерно - упорядоченных кристаллов.

Неориентированные холестерики образуют конфокальную текстуру, которая состоит из отдельных и связанных между собой сложных образований, называемых конфокальными доменами (рис. 16.2, в).

Поскольку основным структурным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного порядка, обусловленного анизотропной формой молекул, то все их свойства определяются степенью ориентационного упорядочения.

а б в г

Рис. 16.2. Типичные текстуры жидких кристаллов:

а – шлирен-текстура нематика; б – конфокальная текстура холестерика; в – схематическое изображение поля директора вблизи дисклинаций этой текстуры (  – направления поляризатора и анализатора); г – схематическое изображение конфокального домена