Такие соединения широко распространены в природе. Так, например, любая жирная кислота является амфифильной. Ее молекулы состоят из двух частей: полярной "головки" (СООН-группа) и углеводородного "хвоста" [СН₃ (СН₂ )_n —]. Подобные соединения при растворении в воде, как правило, образуют мицеллярные растворы, в которых полярные головки торчат наружу, находясь в контакте с водой, а углеводородные хвосты, контактируя друг с другом, смотрят вовнутрь (схема 1). Таки е миц еллы (рис. 11, а) и являются теми структурными элементами, из которых строятся лиотропные жидкие кристаллы, формируя, например, цилиндрическую или ламеллярную формы (рис. 11, б,в).[4]

Рис. 11. Некоторые типы лиотропных жидкокристаллических структур, образованные амфифиль ными молекулами в водных растворах: а - цилиндрическ ая мицел ла, б - гексагональная упаковка цилиндрических мицелл, в - ламеллярный смектический жидкий кристалл; г - строение мембраны, состоящей из фосфолипидного двойного слоя ( 1 ) и молекул белков (2).

В отличие от термотропных жидких кристаллов, где формирование определенного типа мезофазы определяется лишь температурой, в лиотропных системах тип структ урн ой организации определяется уже двумя параметрами: концентрацией вещества и температурой. Лиотропные жидкие кристаллы наиболее часто образуются биологическими системами, функционирующими в водных средах. Именно в эти х системах в наиболее яркой форме проявляются уникальные особенности жидких кристаллов, сочетающих лабиль ность с высокой склонностью к самоорганизации. Ограничимся лишь одним при мером, относящимся к клеткам и внутриклеточным органеллам, покрытым тонкими высокоупорядоченными оболочками - мембранами. Современные структурные исследования показывают, что мембраны представляют собой типичные лиотропные ламеллярные лабильные ЖК-структуры, составлен ные из двойного слоя фосфолипидов, в котором "растворены" белки, полисахариды, холестерин и другие жизненно важные компоненты (рис. 11, г). Такое ан из отропное строение мембраны, с одной стороны, по зволяет защ ищ ать ее внутреннюю часть от нежелательных внешних воздействий, а с другой стороны, ее "жидкостной" характер обеспечивает высокие транспортные свойства (прониц аемость, перенос ионов и др.), что придает клетке определяющ ую роль в процессах жизнедеятельности.[7]

6. Анизотропия физических свойств ЖК

Поскольку основным структ урным признаком жидких кристаллов является наличие ориентационного порядка, обусловленного анизотропной формой молекул, то естественно, что все их свойства, так или иначе, определяются степенью ориентационного упорядочения. Количественно степень упорядоченности жидкого кристалла определяется параметром порядка S, введенным В.И. Цветковым в 40-х годах формула 1.

Легко понять, что в полностью разупорядоченной изотропно-жидкой фазе S = 0, а в полностью тве рдом кристалле S = 1. Параметр порядка жидкого кристалла лежит в пределах от 0 до 1. Именно существование ориентационного порядка обусловливает анизотропию всех физических свойств жидких кристаллов. Так, анизотропная форма молекул каламитиков определяет появление двойного лучепреломления ( Dn) и диэлектрической анизотропии ( De), величины которых могут быть выражены следующим образом:

Dn_|| = n_|| – n_^ и De_|| = e_|| – e_^ (3)

где n _|| , n_^ и e_|| , e_^ — показатели преломления и диэлектрические постоянные соответственно, измеренные при параллельной и перпендикулярной ориентации длинных осей молекул относительно директора. Значения Dn для ЖК-соединений обычно ве сьма велики и меняются в ш ироких пределах в зависимости от их химического строения, достигая иногда величины порядка 0,3-0,4. Величина и знак De зависят от соотношения между анизотропией поляризуемости молекулы, величиной постоянного дипольного момента m, а также от угла межд у направлением дипольного момента и длинной молекулярной осью. Примеры двух ЖК-соединений, характериз ующихся положительной и от рицательной величиной D e, приведены ниже:

Нагревание жидкого кристалла, понижая его ориентационный порядок, сопровождается монотонным снижением значений Dn и D e, так что в точке исчезновения ЖК-фазы при Т_пр анизотропия свойств полностью исчезает.[1]

В то же время именно анизотропия всех физических характеристик жидкого кристалла в сочетании с низкой вязкостью этих соединений и позволяет с высокой легкостью и эффект ивностью осу ществлять ориентацию (и переориентацию) их мо лекул под действием небольших "возмущ ающих" факторов (электрические и магнитные поля, механическое напряжение), существенно изменяя их структуру и свойства. Именно поэтому жидкие кристал лы оказались незаменимыми электрооптически-активными средами, на основе которых и было создано новое поколение так называемых ЖК-индикаторов.

7. Как управлять жидкими кристаллами

Основой любого ЖК-индикатора является так называемая электрооптическая ячейка, устройство которой изображено на рис. 12. Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным на них прозрачным проводящ им слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющ ие роль эл ектродов, разделяются тонкими прокладками из непроводяшего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости от назначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся "сандвичевая" конструкция по периметру "запаивается" герметикой или другим изолирующим материалом (рис. 12). Полученная таким образом ячейка может быть помешена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризац ии которых образуют определенный угол с ц елью наблюдения эффектов ориентац ии молекул под действием элект рического поля. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшого элект рического напряжения (1,5— 3 В) вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентац ии жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, что электрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированные группы молекул (рои или домены), состоящие из десятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатического взаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. В итоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направление максимальной диэлектрической постоянной совпало с направлением элект рического поля. А вследствие большой величины двулучепреломления Dn проц есс ориентации ведет к резкому изменению структ уры и оптических свойств жидкого кристалла.[6]

Впервые воздействие электрических и магнитных полей на жидкие кристаллы было исследовано русским физиком В.К. Фредериксом, и процессы их ориентации получили название электрооптических переходов (или эффектов) фредерикса. Один из трех, наиболее часто встречающихся вариантов ориентации молекул показан на рис. 12. а – это планарная ориентация, которая характерна для нематиков с отриц ательной диэлектрической анизотропией ( De< 0), когда длинные оси молекул параллельны стеклянным поверхностям ячейки.

Рис. 12. Электрооптическая ячейка типа "сандвич" с планарной ориентацией молекул (а) и схемы расположения молекул жидких кристаллов в ячейке: б - гомеотропная и в - твист- ориентация. 1 - слой жидкого кристалла. 2 - стеклянные пластинки, 3 - токопроводящий слой, 4 - диэлектрическая прокл адка, 5 - поляриз атор, 6 - источник электрического напряжения .

Гомеотропная ориентация реализуется для жидких кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией ( De> 0) (рис. 12, б). В этом случае длинные оси молекул с продольным дипольным моментом располагаются вдоль направления поля перпендикулярно поверхности ячейки. И наконец , возможна твист- или закрученная ориентация молекул (рис. 12, в). Такая ориентация достигается спе циальной обработкой стеклянных пластинок, при которой длинные оси молекул поворачиваются в направлении от нижне го к верхнему стеклу электрооптической ячейки. Обычно это достигается натиранием стекол в разных направлениях или использованием спец?