Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

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.

Типичными лиотропными кристаллами являются биологические мембраны. Мембрана представляет собой молекулярную стенку, отделяющую живое вещество клеток от окружающей среды. Она сложена двумя слоями липидных молекул, т. е. имеет толщину порядка 10 нм максимум. При этом длина волны зеленого излучения в 50 раз больше! Настолько хрупка грань между живым и неживым. Липиды представляют собой мезоген, который образует двухслойную структуру мембраны при взаимодействии с жидкой средой клетки.

Холестерические кристаллы используются для изготовления пластинчатых термометров для грубого определения температуры. В настоящее время спрос на эти изделия несколько снизился, зато лет 10 назад подобные устройства были весьма популярны, особенно среди школьников. Дети имели при себе пластинки, которые было удобно носить на одежде.

Пока температура тела нормальная, пластинка высвечивает букву «N», с которой начинается слово Normal (temperature). При повышении температуры выше нормы пластинка меняет цвет и высвечивает букву «F», с которой начинается слово Fever — жар. Как только ребенок замечает появление этой буквы, он обращается к родителям, и те уже измеряют ему температуру с помощью обычного градусника.