Главная >> Молекулярная физика. Термодинамика. Физика 10 класс. Мякишев

Глава 8. Твердые тела и их превращение в жидкости

§ 8.4. Жидкие кристаллы

Существуют необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твердого тела и жидкости. Эти вещества называются жидкими кристаллами. Подобно жидкостям, они текучи. Но в то же время они, подобно кристаллам, обладают анизотропией. Главным для жидких кристаллов является анизотропия оптических свойств.

О существовании жидких кристаллов известно уже почти 100 лет. Но очень долгое время они рассматривались как курьез, не заслуживающий пристального внимания и изучения. Лишь несколько десятков лет назад началось детальное исследование этих веществ. С одной стороны, они нашли важные технические применения, а с другой — выяснилось, что жидкие кристаллы весьма распространены в природе. Они входят также в состав многих живых тканей.

Молекулы жидких кристаллов

Молекулы жидких кристаллов — это молекулы органических соединений, имеющие вытянутую сигарообразную форму. Строение их таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом. Боковые же поверхности взаимодействуют достаточно сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле, в то время как концевые связи разорваны.

Жидкие кристаллы существуют в определенном для каждого вещества интервале температур. У одних веществ этот интервал невелик (ΔТ ≈ 0,01 К), у других довольно широк (ΔТ ≈ 100 К). Если жидкий кристалл нагреть, то он при некоторой температуре превращается в обычную жидкость, если охладить, то становится обыкновенным кристаллом.

В зависимости от характера ориентации осей молекул жидкие кристаллы подразделяются на три типа: нематические, смектические и холестерические.

Нематические жидкие кристаллы

Наименее упорядоченной структурой обладают нематические кристаллы (от греческого слова «нема» — нить. Эти вещества включают микроскопические нитевидные структуры).

Длинные оси молекул нематических кристаллов параллельны друг другу, и в этом отношении вещество обнаруживает дальний порядок, подобно кристаллам. Но центры тяжести молекул расположены хаотически, и в их расположении обнаруживается лишь ближний порядок (рис. 8.14). Представьте себе длинную коробку, заполненную спичками. Спички могут смещаться вверх и вниз, но не могут переворачиваться, так что их оси остаются параллельными длинной оси коробки. Это и есть грубая модель нематического кристалла.

Оптические свойства такого кристалла вдоль направления осей молекул и перпендикулярно им различны. Под действием электрических и магнитных полей ориентация осей молекул изменяется.

Смектические жидкие кристаллы

Наиболее упорядочены смектические жидкие кристаллы. Оси их молекул также параллельны, но образуют набор слоев. У некоторых смектических веществ молекулы упорядочены и внутри каждого слоя: центры их тяжести располагаются на прямых линиях (рис. 8.15, а). В других же веществах молекулы в слоях располагаются беспорядочно (рис. 8.15, б). В любом случае оси молекул параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости слоя, толщина которого равна длине молекулы.

У всех смектиков независимо от деталей структуры взаимодействие между слоями молекул гораздо слабее взаимодействия молекул внутри одного слоя. Поэтому слои могут легко скользить друг относительно друга, и смектики на ощупь мылоподобны. Отсюда и их название (от греческого слова «смегма» — мыло).

Обыкновенный мыльный пузырь представляет собой жидкокристаллическое вещество (рис. 8.16). Внешняя и внутренняя поверхности пузыря, между которыми находится мыльный раствор, состоят из слоев мыла. Притяжение молекул мыла в поверхностных слоях обеспечивает устойчивость мыльного пузыря. При увеличении радиуса пузыря свободные молекулы мыла из раствора переходят в жидкость. Если пузырь сокращается, то, напротив, молекулы мыла выталкиваются из поверхностного слоя и переходят в раствор.

Окончание параграфа >>>