Класифікація, структура та властивості рідких кристалів
Рідкокристалічний (ЖК) стан є термодинамічно стабільним і стійким фазовим станом, при якому речовина зберігає анізотропію фізичних властивостей, властивих твердим кристалам, і плинність, характерну для рідин.
РК речовини часто називають мезофазними, а утворюючу ними фазу - мезофазою (від грец. «mesos» -проміжний). Рідкі кристали є великим класом переважно органічних сполук. Відомо близько сотні тисяч органічних речовин, які можуть бути у ЖК стані. Молекули РК сполук часто називають мезогенами, а фрагменти чи угруповання молекул – мезогенними групами. Наявність орієнтаційного порядку передбачає, що й структурні елементи є анизометричними, найчастіше витягнутої чи дисковидної форми. Орієнтаційний порядок проявляється в тому, що виділені довгі або короткі осі структурних елементів орієнтовані вздовж деяких напрямків, яких у просторі може бути один (одномірний), два (двовимірні) або три (тривимірні).
Характерною рисою структури рідких кристалів є надзвичайно висока мобільність, тобто. здатність легко піддаватися структурним перебудовам. Структурні елементи пов'язані слабкими дисперсійними силами. Тому невеликі зовнішні впливи (температура, електричні та магнітні поля, механічні напруги) призводять до помітних змін у структурі рідких кристалів і, отже, змінюють їх фізичні властивості.
Залежно від характеру розташування молекул (мікроскопічного впорядкування) розрізняють три основних типи структур рідких кристалів:смектичний(смектики),нематичной (нематики) тахолестеричний(холестерики) ). Зазначені типи структур відносяться до термотропнихрідким кристалам, утворення яких здійснюється тільки при термічному вплив на речовину (нагрівання або охолодження). На рис. 16.1 показано схеми розташування стрижнеподібних та дископодібних молекул у трьох перерахованих структурних модифікаціях рідких кристалів. Смектичний тип рідких кристалів найближче до істинно кристалічних тіл (рис. 16.1,а). Молекули розташовуються у шарах та його центри тяжкості рухомі у двох вимірах (на смектической площині). При цьому довгі осі молекул у кожному шарі можуть розташовуватися як перпендикулярно до площини шару (ортогональні смектики), так і під деяким кутом (похилі смектики).
Напрямок переважної орієнтації осей молекул називаютьдиректором, який позначається векторомn(рис. 16.1,а).
Нематичні рідкі кристали характеризуються наявністю лише одновимірного орієнтаційного порядку довгих (каламітики, від грец. «kalamos» – «тросник») або коротких (дискотики) осей молекул (рис.16.1, «2» б «3» іг). При цьому центри тяжіння молекул розташовані у просторі хаотично, що свідчить про відсутність трансляційного порядку.
в - холестерична;г- іскотична (n- директор)
Найбільш складний тип упорядкування молекул рідких кристалів холестеричний, утворений хіральними (оптично активними) молекулами, що містять асиметричний атом вуглецю. Це означає, що такі молекули є дзеркально-несиметричними, на відміну від дзеркально-симетричних молекул нематиків. Холестерики багато в чомуподібні до нематиків, у яких реалізується одномірний орієнтаційний порядок; вони утворюються також при додаванні невеликих кількостей хіральних сполук (1 – 2 мол. %) до нематиків. Як очевидно з рис.16.1,в, у разі додатково реалізується спіральна закрученість молекул, і часто холестерик називають закрученим нематиком.
Кожен тип рідкого кристала мимоволі утворює характерні макроскопічні структури – текстури.
Нематичні рідкі кристали характеризуються так званою шлірен - текстурою (рис. 16.2,а), що є системою тонких ниткоподібних ліній і точок з ниткоподібними чорними «хвостами». Ці лінії називають дисклінаціями (від грец."kline" - нахил). Вони є місцями різкої зміни орієнтації довгих осей молекул.
Характерною текстурою смектиків є віялова текстура, яка багато в чому нагадує кристали звичайних твердих тіл (рис. 16.2,б), що підкреслює найбільшу аналогію у структурній організації двовимірно-упорядкованих смектиків та тривимірно-упорядкованих кристалів.
Неорієнтовані холестерики утворюють конфокальну текстуру, що складається з окремих і пов'язаних між собою складних утворень, які називають конфокальними доменами (рис. 16.2,в).
Оскільки основною структурною ознакою рідких кристалів є наявність орієнтаційного порядку, зумовленого анізотропною формою молекул, всі їх властивості визначаються ступенем орієнтаційного впорядкування.
Мал. 16.2. Типові текстури рідких кристалів:
а - шлірен-текстура нематику;б -конфокальна текстура холестерика;в –схематичне зображення поля директора поблизу дисклінацій цієї текстури ( ® – напрямки поляризатора тааналізатора);г –схематичне зображення конфокального домену