Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Ботаник не догадался о совершенном им открытии, но предположил, что в мутной жидкости оставались мелкие нерасплавившиеся кристаллики, не различимые под микроскопом. Лишь дальнейшие исследования необычной фазы, проведенные в прошлом столетии, позволили развеять все сомнения. Выяснилось, что научный мир столкнулся с новым агрегатным состоянием вещества, промежуточным между жидким и твердокристаллическим.

Жидкокристаллическая фаза свойственна далеко не всем веществам, но только органическим соединениям, характеризующимся крупными и массивными молекулами со структурой высокой степени сложности. Фаза приходится на небольшой интервал температур от температуры плавления настоящего кристалла до температуры перехода вещества в настоящую жидкость. Жидкий кристалл текуч и легко принимает форму сосуда.

Одновременно он обладает упорядоченным молекулярным строением: его частицы строго выстроены относительно друг друга и демонстрируют свойство определенной пространственной ориентации. На первый взгляд такое невозможно, поскольку порядок подразумевает наличие кристаллической решетки. Это устойчивая система, в узлах которой расположены центры масс молекул. Она жестко связывает молекулы и тем самым не допускает текучести вещества.

Откуда взялись противоположные качества у одного вещества? Дело в том, что жидкие кристаллы полностью лишены кристаллической решетки. Их порядок строгий, но не жесткий. Закрепления в определенных точках относительно друг друга не происходит, отчего в некоторых областях кристалла наблюдается небольшой беспорядок. Он-то и обеспечивает свойство текучести жидкого тела. Вместе с тем предпочтительная ориентация молекул обусловливает типично кристаллическую характеристику веществ в данном агрегатном состоянии, каковой является анизотропия.

Под анизотропией в физике понимается разделение физических свойств по направлениям. То есть физические свойства проявляют себя в одном направлении и не проявляют или проявляют иначе в другом. Таким образом, внутри всякого кристаллического тела есть предпочтительное направление свойств упругости, диэлектрической проницаемости, электропроводности, оптических свойств и др. Жидкие кристаллы анизотропны, равно как и настоящие твердые тела.

Вместе с тем уникальное агрегатное состояние обладает качествами, не типичными для остальных фаз вещества. В первую очередь обращает на себя внимание зависимость оптических свойств жидких кристаллов от условий окружающей среды.

Ученые различают несколько типов структурной организации жидких кристаллов: нематические кристаллы, смектические, холестерические и дискотические. Кристаллы с соответствующим строением называются нематиками, смектиками, холестериками и дискотиками, причем первые представляют собой наиболее простой по строению тип веществ данной фазы. Дискотики обладают молекулами в форме дисков, а остальные имеют молекулы-стержни.

Жидкокристаллическую фазу всегда образуют только сравнительно плотные вещества с компактно уложенными крупными молекулами дисковидной или стержневидной формы. На то есть несколько причин, в основе которых лежит такое обыкновенное межмолекулярное взаимодействие. Молекулы, о чем сообщают школьникам на первых уроках физики, притягиваются и отталкиваются. Силы притяжения имеют электромагнитную природу. Они заставляют частицы вещества сближаться, а силы отталкивания препятствуют взаимному проникновению молекул.

При высокой концентрации крупных молекул со сложной формой — стержней или дисков — они начинают за счет сил отталкивания мешать друг другу свободно двигаться. Дисковидная молекула не может, к примеру, встать на ребро, а стержневидная не может произвольно повернуться поперек. Все частицы принимают примерно однонаправленное расположение. Таким образом, форма молекул задает их пространственную ориентацию.

Различают два способа образования жидких кристаллов. Прежде всего вещество в это агрегатное состояние можно перевести с помощью нагревания. Именно так получил мутную фазу холестерилбензоата Рейнитцер. Если продлить нагревание жидкокристаллической фазы, то энергия молекул возрастет и они станут двигаться гораздо быстрее. Постепенно беспорядочное тепловое движение станет преобладать, в результате чего кристалл перейдет в жидкое состояние. Принято говорить, что кристалл плавится. При застывании расплава образуется обычный твердый кристалл.

Плотность жидкого кристалла может быть очень низкой, близкой к плотности жидкости. Но есть и плотные тела, подобные по консистенции пасте. Такие жидкие кристаллы называют термотропными. Кроме них, различают лиотропные жидкие кристаллы, которые образуются при растворении какого-либо вещества в другом. Растворяемое вещество называется мезогеном, потому что сама фаза называется еще мезоморфной.