Класификация, структура и свойства на течните кристали

Течният кристал (LC) е термодинамично стабилно и стабилно фазово състояние, при което веществото запазва анизотропията на физичните свойства, присъщи на твърдите кристали и течливостта, характерна за течностите.

FA веществата често се наричат мезофаза, а образуващата се от тях фаза се нарича мезофаза (от гръцки „месос"- междинен). Течните кристали представляват голям клас предимно органични съединения. Известни са около стотици хиляди органични вещества, които могат да бъдат в LC състояние. Молекулите на съединенията на FA често се наричат мезогени, а фрагментите или групите от молекули се наричат мезогенни групи. Наличието на ориентационния ред предполага, че техните структурни елементи са анизометрични, най-често продълговати или с форма на диск. Ориентационният ред се проявява в това, че избраните дълги или къси оси на структурни елементи са ориентирани по някои посоки, които в пространството могат да бъдат едно (едномерни), две (двумерни) или три (триизмерни).

Характерна особеност на структурата на течните кристали е изключително висока подвижност, т.е. способността лесно да се подлагат на структурни корекции. Структурните елементи са свързани чрез слаби дисперсионни сили. Следователно малките външни влияния (температура, електрически и магнитни полета, механични напрежения) водят до забележими промени в структурата на течните кристали и следователно променят техните физични свойства.

В зависимост от естеството на подреждането на молекулите (микроскопично подреждане), има три основни типа течнокристални структури: смектичен (смектика), нематичноth (нематика) и холестеричен (холестерици). Посочените видове структури принадлежат към термотропни течни кристали, чието образуване се извършва само чрез термично въздействие върху веществото (нагряване или охлаждане). На фиг. 16.1 показва оформлението на пръчковидни и дисковидни молекули в трите изброени структурни модификации на течни кристали. Смектичният тип течни кристали е най-близо до истинските кристални тела (фиг. 16.1, и). Молекулите са подредени на слоеве и техните гравитационни центрове са подвижни в две измерения (в смектичната равнина). В този случай дългите оси на молекули във всеки слой могат да бъдат разположени както перпендикулярно на равнината на слоя (ортогонални смектики), така и под определен ъгъл (наклонени смектики).

Извиква се посоката на предпочитаната ориентация на молекулните оси директор, което се обозначава с вектора н (фиг. 16.1, и).

Нематичните течни кристали се характеризират с наличието само на едномерен ориентационен ред на дълги (каламитици, от гръцки "каламос" - тръстика) или къси (дискотични) оси на молекули (фиг. 16.1, б и r). В този случай центровете на тежестта на молекулите са разположени хаотично в пространството, което показва липсата на транслационен ред.

Фигура 16.1. Основните видове подреждане на пръчковидна форма (и,б, в) и с форма на диск (r) молекули в течни кристали: и - смектична фаза; б - нематичен;

в - холестеричен; r - искотичен (н - директор)

Най-сложният тип подреждане на молекулите на течни кристали е холестеричен, образуван от хирални (оптически активни) молекули, съдържащи асиметричен въглероден атом. Това означава, че такива молекули са огледално-асиметрични, за разлика от огледално-симетричните нематични молекули. Холестериките в много отношения са подобни на нематиците, при които се реализира едноизмерен ориентационен ред; те също се образуват, когато към нематиците се добавят малки количества хирални съединения (1 - 2 mol%). Както се вижда на фигура 16.1, в, в този случай спиралното усукване на молекулите се реализира допълнително и много често холестерикът се нарича усукан нематик.

Всеки тип течен кристал спонтанно образува характерните си макроскопични структури - текстури.

Нематичните течни кристали се характеризират с т. Нар. Шлирен - текстура (фиг. 16.2, и), която представлява система от тънки нишковидни линии и точки с подобни на конци черни „опашки“. Тези редове се наричат отклонения (от гръцки. "Kline" - наклон). Те представляват места на рязка промяна в ориентацията на дългите оси на молекулите.

Характерната текстура на смектиката е текстура на веер, която в много отношения прилича на кристали от обикновени твърди вещества (фиг. 16.2, б), което подчертава най-голямата аналогия в структурната организация на двуизмерния - подреденбогати смектики и триизмерно подредени кристали.

Неориентираните холестерици образуват конфокална текстура, която се състои от отделни и взаимосвързани сложни образувания, наречени конфокални домейни (фиг. 16.2, в).

Тъй като основната структурна характеристика на течните кристали е наличието на ориентационен ред поради анизотропната форма на молекулите, всичките им свойства се определят от степента на ориентационно подреждане.

Фигура: 16.2. Типични текстури на течни кристали:

и - шлирен текстура на нематик; б - конфокална текстура на холестерик;
в - схематично представяне на режисьорското поле в близост до отклонения от тази текстура
(® - посоки на поляризатора и анализатора); r - схематично представяне на конфокален домейн