Упорядоченная жидкость

Второго декабря старший научный сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ, доцент, доктор химических наук, лауреат премии президента Российской Федерации для молодых ученых за 2009 Алексей Бобровский в рамках проекта "Публичные лекции Полит.ру" прочитал в Политехническом музее лекцию о жидких кристаллах. Корреспондент "Ленты.Ру" взял у ученого интервью, в котором Бобровский еще раз коротко рассказал, что такое жидкие кристаллы, как их получают и исследуют и зачем они нужны.

Что такое жидкие кристаллы?

Это вещества, способные образовывать особую фазу, промежуточную между обычной - изотропной (разупорядоченной) - жидкой фазой и твердой кристаллической фазой. Можно сказать, что жидкие кристаллы представляют собой упорядоченные жидкости. Часто для жидкокристаллических фаз используют термин "мезофазы" ("мезос" - промежуточный). В силу своей молекулярной упорядоченности они обладают огромным количеством интересных свойств, благодаря которым жидкие кристаллы используются в разнообразных технических устройствах. Более того, сейчас практически каждый человек пользуется ЖК-монитором, смотрит ЖК-телевизор, мониторы мобильного телефона работают на жидких кристаллах.

Какими свойствами обладают жидкие кристаллы? Чем они отличаются от "обычных" кристаллов или от жидкостей?

Самая интересная особенность жидких кристаллов - они обладают анизотропией свойств. Это означает, что поляризованный свет распространяется в жидкокристаллической фазе с разной скоростью в различных направлениях. Благодаря этой особенности жидкие кристаллы можно использовать в переключаемых системах - с одной стороны, они быстро реагируют на внешние поля, а с другой - их свойства отличаются в зависимости от того, в каком направлении приложено внешнее поле.

Переориентация молекул жидкого кристалла обычно происходит за миллисекунды, и при этом возникают колоссальные изменения оптических свойств жидкокристаллического слоя.

Какие вещества могут переходить в жидкокристаллическое состояние?

Вещество может переходить в состояние жидкого кристалла, если его молекулы имеют определенную структуру - чтобы проявлялась анизотропия свойств, они должны быть анизометричными. Грубо говоря, в ЖК-веществе молекулы должны быть палочко- или дискообразными. Это в простейшем случае. Существует, к примеру, класс так называемых "бананообразных" (banana-shaped) молекул, образующих интересные мезофазы.

Существуют ли вещества, которые при одних условиях являются, например, жидкостью, а при других переходят в жидкокристаллическое состояние?

Среди жидких кристаллов выделяют два типа - термотропные и лиотропные. Термотропные переходят в жидкокристаллическое состояние при определенной температуре, а при других температурах они могут быть либо кристаллическими, либо (при высоких температурах) - изотропными жидкостями. В случае лиотропных жидких кристаллов мезофаза возникает при добавлении к веществу растворителя.

Переход в состояние жидкого кристалла происходит при понижении температуры или при повышении?

При нагревании любое вещество чаще всего переходит в менее упорядоченное состояние, соответственно, жидкокристаллическое состояние менее упорядочено, чем кристаллическое, но более упорядочено, чем изотропная жидкость.

А при дальнейшем нагреве такое вещество может перейти в состояние жидкости?

Да, некоторые вещества могут перейти в состояние обычной разупорядоченной жидкости, а потом начинают испаряться. Если рассмотреть обобщенную диаграмму изменения состояния вещества при повышении температуры, то она будет такой: кристалл, жидкий кристалл, жидкость и пар.

Когда и как были впервые получены жидкие кристаллы?

Первый выделенный учеными жидкий кристалл был синтетическим веществом на основе природного холестерина. Это вещество называется холестерилбензоат - эфир бензойной кислоты и холестерина, и у него в 1888 году было обнаружено жидкокристаллическое состояние, хотя тогда еще исследователи не знали, что это именно оно.

В истории жидких кристаллов получилось так, что вещества, обладающие такими свойствами, были синтезированы раньше, чем ученые в этих свойствах разобрались. Уже потом химики и физики начали изучать свойства новых веществ, и выяснилось, что многие из них могут образовывать жидкие кристаллы. Но всерьез жидкими кристаллами ученые заинтересовались только в конце 1960-х, когда поняли, что их можно использовать в технике.

Как ученые получают жидкие кристаллы сейчас? Каким образом они угадывают - или предсказывают, что то или иное вещество будет обладать жидкокристаллическими свойствами?

Сейчас жидкие кристаллы получают путем стандартного органического синтеза. Ученые накопили очень много информации, на основании которой возможно предположить, будет ли вещество образовывать жидкокристаллическую фазу, или не будет.

Встречаются ли жидкие кристаллы в природе?

Жидкокристаллическое состояние играет важную роль в "работе" живых систем. Например, оно может наблюдаться в липидных мембранах. При некоторых условиях переходить в жидкокристаллическую фазу может ДНК. Иногда встречаются аналоги, или подобия ЖК-структур - например, переливающаяся окраска некоторых жуков и бабочек определяется твердыми структурами, которые напоминают "замороженные" жидкие кристаллы.

Как специалисты изучают жидкие кристаллы? Какие экспериментальные методы они используют?

Самый первый, так сказать традиционный, способ изучения жидких кристаллов - это поляризационно-оптическая микроскопия. Эта же технология применяется для исследования обычных кристаллов. Коротко суть метода такова: когда поляризованный свет попадает в жидкокристаллическую среду, наблюдается поворот плоскости поляризации, и степень поворота зависит от длины волны. Мезофазы дают характерные картинки, текстуры, при наблюдении в поляризационный микроскоп. Анализ изображения позволяет сделать первичный вывод о том, что за жидкокристаллическая фаза образуется.

Другой метод изучения жидких кристаллов - это рентгеноструктурный анализ.

Кроме того, для изучения свойств жидких кристаллов используют спектральные методы, включая, например, ядерно-магнитный резонанс. И хотя методов много, и изучают жидкие кристаллы уже давно, очень многие их свойства остаются пока непонятными.

А есть ли какие-то свойства, которых у жидких кристаллов пока не обнаружено, но наличие которых предполагается?

На ум ничего такого не приходит. В 70-е годы была предсказана возможность появления сегнетоэлектричества в некоторых типах ЖК-фаз, а позже его действительно обнаружили. Сейчас в исследовании жидких кристаллов есть несколько, так скажем, "модных" направлений. Например, к ним относятся исследования вышеупомянутых бананообразных молекул. Впервые ученые ими заинтересовались еще в середине 90-х годов, но сейчас интерес усилился, потому что такие жидкие кристаллы демонстрируют очень необычные физические свойства, включая, например, сегнетоэлектричество.

Давайте поговорим о практическом применении жидких кристаллов. Как именно они работают, скажем, в мониторах или часах?

Жидкие кристаллы могут легко переориентироваться во внешнем магнитном или электрическом поле. Их наносят в виде тонкой пленки на специальную зону с проводящим покрытием. При подаче электрического сигнала происходит переориентация молекул жидких кристаллов, и цвет или светопропускание покрытия изменяются.

Кстати, в жидкокристаллических дисплеях используют не один тип кристаллов, а многокомпонентную смесь (причем не обязательно, чтобы все ее составляющие обладали жидкокристаллическими свойствами). Это делается для того, чтобы понизить температуру плавления смеси до значения ниже комнатной температуры. Иначе такие дисплеи не смогут работать, так как жидкие кристаллы в них будут находиться в твердом состоянии.

Какие еще применения есть у жидких кристаллов?

Используя жидкие кристаллы, можно проводить визуализацию температурных полей - дело в том, что некоторые жидкие кристаллы меняют свою окраску под действием изменения температуры.

Но, вообще говоря, кульминация активности исследований жидких кристаллов для дисплейных технологий была в 80-х-90-х годах прошлого века, а сейчас интерес к ним с этой точки зрения во многом угас. Однако это не значит, что с ними уже все ясно. Есть огромный простор и для фундаментальных исследований, и для возможных "недисплейных" применений: в оптоэлектронике, создании сенсоров, в биологии и медицине.