Жидкокристаллические соединения (стр. 2 из 5)
Таблица 1. Типичные примеры химических соединений, образующих ЖК-фазу.
Как видно из таблицы 1, 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.[1]
4. Термотропные жидкие кристаллы
В зависимости от характера расположения молекул согласно классификации, предложенной еще Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений:смектический,нематический и холестерический. Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение). На рис. 4 показаны схемы расположения стержне- и дискообразных молекул в трех перечисленных структурных модификациях жидких кристаллов.[1]
Рис. 4. Основные типы расположения стержне-образных(а-в) и дискообразных(г) молекул в жидкихкристаллах: а -смектическая фаза, б - нематическая, в - холестерическая, г - дискотическая(n- директор).
Смектический тип ЖК(смектики – от греч. слова "смегма" – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. 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 принято называть директором, который обычно обозначается вектором n (рис. 4, а).[5]
В литературе описаны семь смектических структур; их обычно называют смектики A, B, …, G. В большинстве смектических структур молекулы расположены слоями; в зависимости от молекулярного порядка внутри слоев различают смектики со структурированными и неструктурированными слоями.
Смектический слой имеет толщину порядка одной или двух длин отдельной молекулы. Притяжение между слоями слабее межмолекулярных сил в самих слоях, поэтому последние довольно легко скользят друг по другу. Смектические ЖК текучи и одновременно анизотропны, т.к. молекулы в них легко перемещаются друг относительно друга, но остаются параллельными. Несмотря на свою текучесть, смектики гораздо более вязкие, чем нематики.[3]
Структурированные смектические жидкие кристаллы обладают дальним порядком в расположении молекул в слоях и имеют регулярную двумерную решетку. Самый распространенный из структурированных смектиков – смектик В. Он бывает двух типов – с симметрией D∞h и C2v. Для кристаллов первого типа характерна гексагональная упаковка, оси молекул перпендикулярны слоям, структура которых оптически одноосна. Во второй структуре оси молекул наклонены относительно плоскости слоев; структура обладает более низкой симметрией и является двуосной. Текстура структурированных смектиков – это модификации веерной и шлирен-текстур, и мозаичной текстуры (рис. 5). В мозаичной текстуре имеются оптически однородные двулучепреломляющие области.
Рис. 5. Мозаичная текстура смектика В. Скрещенные николи, Х320.
В неструктурированных смектических жидких кристаллах молекулы упакованы в слои и их центры расположены беспорядочно (как в жидкости). Один из наиболее распространенных неструктурированных смектических ЖК – это оптически одноосный смектик А, Обладающий симметрией D∞h. Типичная структура для симметрии D∞h – конфокальная; её модификация – веерная текстура (рис. 6).
Рис. 6. Простая веерная текстура смектика А. Скрещенные николи, Х120.
В структуре смектика А молекулы расположены в мономолекулярных слоях так, что их длинные оси перпендикулярны плоскости слоев (рис. 7, а). Неструктурированные смектические ЖК второго типа обладают симметрией C2v и являются оптически двуосными. Наиболее распространенный смектический жидкий кристалл этого типа – смектик С, имеющий мономолекулярные слои, молекулы в слоях расположены наклонно (рис. 7, б).[2]
Рис. 7. Схематическое изображение расположения молекул в смектике А (а), в смектике С (б).
Нематический тип ЖК (нематики от греч. "нема" — нить) характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики) осей молекул (рис. 4, б и г соответственно). При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.[5]
Для такого кристалла характерны две особенности:
o Наличие дальнего ориентационного порядка (строгая параллельность длинных осей молекул);
o Отсутствие дальней корреляции между положением центров масс молекул – нематик является жидкостью.
Направление главной оси n (директора) кристалла в пространстве произвольно. Единственное структурное ограничение в обычном нематическом ЖК – это параллельное или почти параллельное расположение длинных осей молекул. Молекулы могут двигаться во всех трех направлениях и вращаться вокруг своей оси.
Толстые пленки нематических ЖК мутны. В пленках толще 0,1 мм, помещенных между скрещенными николями, видны нитевидные дисклинации. В более тонких пленках можно получить шлирен-текстуру с точечными особенностями (сингулярностями) (рис. 8). Эти особенности соответствуют нитям, расположенным перпендикулярно пленке и характеризующимся определенным числом темных полос, выявляемых при наблюдении между скрещенными николями. Обычно обнаруживают точки с двумя или четырьмя полосами. При одновременном вращений николей, полосы вращаются либо в том же, либо в противоположном направлениях; в соответствии с этим различают положительные и отрицательные точки.
Рис. 8. Нематическая шлирен-текстура. Скрещенные николи, Х120. Видны 2 и 4 темные полосы, исходящие из одной точки.
Ориентировать молекулы в пленках жидкого нематика можно, воздействуя на них специально обработанными поверхностями. Если поверхность натирать в одном направлении, молекулы расположатся своими длинными осями вдоль этого направления. При другом способе обработки – с помощью некоторых поверхностно-активных веществ – длинные оси молекул могут ориентироваться либо перпендикулярно, либо параллельно поверхности. Если длинные оси ориентированы в основном перпендикулярно, то образуется псевдоизотропная текстура. При наблюдении между скрещенными николями она кажется темной. Если коснуться покровного стекла, возникают вспышки света; это указывает на нарушение перпендикулярной ориентации.
В термотропных жидких кристаллах нематическая мезофаза – самая высокотемпературная. При нагревании она переходит в изотропную жидкость. Этот переход – первого рода; энтальпия перехода составляет 0,1 – 1,0 ккал∙моль-1. Энергия, необходимая для деформации ЖК, настолько мала, что даже слабые возмущения, вызываемые частицами пыли или неоднородностями поверхности стекла, на котором покоится жидкий кристалл, могут существенно исказить структуру.[2]
Нематические ЖК обладают осью симметрии бесконечного порядка и поэтому являются одноосными. Молекулы в нематическом ЖК ориентированы (вдоль выделенного направления) не полностью; степень ориентации можно количественно описать с помощью одного параметра порядка, S,
(1)где θ – угол между длинной осью молекулы и осью симметрии нематика. Экспериментальные значения параметра S лежат в интервале от 0,4 (вблизи точки перехода нематика в изотропную жидкость) до 0,8 (вблизи точки кристаллизации нематика, если не образуется смектическая фаза).[6]