Между кристаллической формой амфифильного вещества и его истинным раствором в воде существует ряд структур. Образующиеся полиморфные мезофазы в зависмости от содержания воды могут иметь ламеллярную (слоистую), кубическую или гексагональную упаковку молекул. При уменьшении содержания воды мезофазы сменяют друг друга в обратном порядке.[3] Схематически эта последовательность превращений выглядит так:

3. Молекулярное строение и структура ЖК

ЖК подразделяют на два типа. Термотропные, как ясно из их названия, образуются при нагревании некоторых твердых веществ. Лиотропные ЖК получают при смешивании двух или более компонентов. ЖК обоего типа свойствен полиморфизм, т.е. данное термотропное соединение или лиотропная смесь может существовать в виде нескольких ЖК структур. Примеры фазовых переходов в термотропных ЖК приведены на рис. 3. Необходимо отметить, что известны и более сложные взаимосвязи между фазами.[2]

Рис. 3. Некоторые фазовые переходы в термотропных ЖК.

Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, и число таких соединений непрерывно растет. Если первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлись только вещества, состоящие из асимметрических молекул стержнеобразной формы, — так называемые каламитики (от греч. "каламис" — тростник), то в последствии было обнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить самые разнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины и др.). Молекулы ЖК-соединений очень часто называют мезогенами, а группировки или фрагменты молекул, способствующие формированию ЖК-фазы, — мезогенными группами. В таблице 1 приведены примеры стержнеобразных мезогенов — каломитиков, а также химические формулы дискообразных (дискотики) и планкообразных мезогенов (санидики) (от греч. "санидис" — планка).

Таблица 1. Типичные примеры химических соединений, образующих ЖК-фазу.

Как видно из таблицы 1, среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом с помощью различных химических группировок (–CH=CH–, –CH=N–, –NH–CO и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединений является асимметричная форма молекул, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.[1]

4. Термотропные жидкие кристаллы

В зависимости от характера расположения молекул согласно кл ассификац ии, предложенной ещ е Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический, нематический и холестерический. Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещ ество (нагревание или охлаждение). На рис. 4 показаны схемы распол ожения стержне- и дискообразных мол екул в трех перечисл енных структурных модификациях жидких кристаллов. [1]

Рис. 4. Основ ные типы расп оложения стержне-образных (а-в ) и дискообразных (г) молекул в жидких кристаллах: а - смектическая фаза, б - нематическая, в - холестерическая, г - дискотическая ( n- дире ктор).

4.1 Смектический тип ЖК

Смектический тип ЖК(смектики – от греч. слова "смегма" – мыло) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Мол екулы располагаются в слоях, и их центры тяжести под вижны в двух измерениях (на смектическо й плоскости). При этом д линные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущ ественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n (рис. 4, а).[5]

В литературе описаны семь смектических структур; их обычно называют смектики A, B, …, G. В большинстве смектических структур молекулы расположены слоями; в зависимости от молекулярного порядка внутри слоев различают смектики со структурированными и неструктурированными слоями.

Смектический слой имеет толщину порядка одной или двух длин отдельной молекулы. Притяжение между слоями слабее межмолекулярных сил в самих слоях, поэтому последние довольно легко скользят друг по другу. Смектические ЖК текучи и одновременно анизотропны, т.к. молекулы в них легко перемещаются друг относительно друга, но остаются параллельными. Несмотря на свою текучесть, смектики гораздо более вязкие, чем нематики.[3]

Структурированные смектические жидкие кристаллы обладают дальним порядком в расположении молекул в слоях и имеют регулярную двумерную решетку. Самый распространенный из структурированных смектиков – смектик В. Он бывает двух типов – с симметрией D_{∞ h} и C_{2 v} . Для кристаллов первого типа характерна гексагональная упаковка, оси молекул перпендикулярны слоям, структура которых оптически одноосна. Во второй структуре оси молекул наклонены относительно плоскости слоев; структура обладает более низкой симметрией и является двуосной. Текстура структурированных смектиков – это модификации веерной и шлирен-текстур, и мозаичной текстуры (рис. 5). В мозаичной текстуре имеются оптически однородные двулучепреломляющие области.

Рис. 5. Мозаичная текстура смектика В. Скрещенные николи, Х320.

В неструктурированных смектических жидких кристаллах молекулы упакованы в слои и их центры расположены беспорядочно (как в жидкости). Один из наиболее распространенных неструктурированных смектических ЖК – это оптически одноосный смектик А, Обладающий симметрией D_{∞ h} . Типичная структура для симметрии D_{∞ h} – конфокальная; её модификация – веерная текстура (рис. 6).

Рис. 6. Простая веерная текстура смектика А. Скрещенные николи, Х120.

В структуре смектика А молекулы расположены в мономолекулярных слоях так, что их длинные оси перпендикулярны плоскости слоев (рис. 7, а). Неструктурированные смектические ЖК второго типа обладают симметрией C_{2 v} и являются оптически двуосными. Наиболее распространенный смектический жидкий кристалл этого типа – смектик С, имеющий мономолекулярные слои, молекулы в слоях расположены наклонно (рис. 7, б).[2]

Рис. 7. Схематическое изображение расположения молекул в смектике А (а), в смектике С (б).

4.2 Нематический тип ЖК

Нематический тип ЖК (нематики от греч. "нема" — нить) характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики) осей молекул (рис. 4, б и г соответственно). При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.[5]

Для такого кристалла характерны две особенности:

o Наличие дальнего ориентационного порядка (строгая параллельность длинных осей молекул);

o Отсутствие дальней корреляции между положением центров масс молекул – нематик является жидкостью.