Жидкие кристаллы под микроскопом

Алексей Бобровский

Мне сильно повезло в жизни — почти 30 лет назад я начал работать в лаборатории химического факультета МГУ профессора Валерия Петровича Шибаева, в которой в 1970-е годы впервые синтезировали жидкокристаллические (ЖК) полимеры. В этой лаборатории я работаю и по сей день, и мне не перестает это нравиться. И дело не только в том, что наука о ЖК-полимерах очень интересна и существует бесконечное число способов сделать их чувствительными к разным внешним воздействиям, что приводит к не­обычным и часто неожиданным структурным превращениям. Для меня, да и, уверен, для большинства «жидкокристальщиков» очень важный мотивационный момент: очень красивы.

Впервые о жидких кристаллах я узнал, прочитав, будучи школьником, книгу Анатолия Степановича Сонина «Кентавры природы» (кстати, недавно она была переиздана в расширенном и дополненном виде, очень рекомендую интересующимся темой). Тогда я не мог предполагать, что через десять лет А. С. Сонин станет рецензентом дипломной работы, которую я защитил в 1996 году на химфаке МГУ.

Один из основных методов изучения жидких кристаллов, с помощью которого они и были открыты, — поляризационно-оптическая микроскопия. Этот метод заключается в визуальном наблюдении текстур плоского слоя расплава вещества, помещенного между двух стекол в оптический микроскоп, оснащенный двумя поляризаторами. Яркие цветные текстуры, наблюдаемые в микроскоп, не только очень красивы, но и несут важную информацию о структуре фазы и позволяют идентифицировать ее тип, то есть понять взаиморасположение молекул. Разумеется, для точного их структуры, как и для «обычных» кристаллов, используют рентгеноструктурный анализ и другие методы, но первое, что делает ученый, изучая новое ЖК-соединение, — смотрит на него в микроскоп.

Например, «мраморная» текстура на рис. 1 указывает на то, что вещество образует нематическую фазу. В ней центры молекул разупорядочены, однако имеется ориентационный порядок, то есть молекулы ориентированы в одном направлении.

Рис. 1. Мраморная текстура нематического жидкого кристалла и строение этой фазы
Рис. 1. Мраморная текстура нематического жидкого кристалла и строение этой фазы

Смектические фазы, в которых, кроме ориентационного порядка, формируется слоевая упаковка молекул, чаще всего формируют конфокальные, или «веерные» текстуры (рис. 2).

Рис. 2. Веерная текстура смектического жидкого кристалла и строение этой фазы
Рис. 2. Веерная текстура смектического жидкого кристалла и строение этой фазы

Холестерическая фаза в ориентированном состоянии образует так называемую планарную текстуру (рис. 3).

Рис. 3. Планарная текстура с линиями Кано — Гранжана холестерического жидкого кристалла и строение этой фазы
Рис. 3. Планарная текстура с линиями Кано — Гранжана холестерического жидкого кристалла и строение этой фазы

В 1995 году мне удалось обнаружить для ЖК-полимеров так называемые голубые фазы с красивой мозаичной текстурой (рис. 4). Пришлось потратить много сил для того, чтобы их обнаружить, так как они образуются в небольшом температурном интервале — меньше градуса. Но, как выяснилось, если образец охладить до температуры ниже температуры стеклования, то есть, например, до комнатной, то можно на десятилетия зафиксировать текстуру. Так, образец на рис. 4 хранится без изменений уже больше 25 лет! Это, к слову сказать, важное преимущество ЖК-полимеров по сравнению с «обычными» жидкими кристаллами — сохранять свою структуру и оптические свойства в «замороженном» стеклообразном состоянии.

Рис. 4. Текстура «голубой фазы» и строение этой фазы (фаза формируется за счет кубической упаковки цилиндров, ориентация молекул в которых показана на малом рисунке слева)
Рис. 4. Текстура «голубой фазы» и строение этой фазы (фаза формируется за счет кубической упаковки цилиндров, ориентация молекул в которых показана на малом рисунке слева)

Поляризационно-оптическая микроскопия позволяет не только идентифицировать тип упорядочения, но и определять температуры фазовых переходов, если дооснастить терморегулируемой приставкой. Например, видео красочного перехода из нематической в изотропную фазу при нагревании можно посмотреть здесь: [1].

Фазовые переходы из изотропной в холестерическую, затем смектическую и кристаллическую фазы при охлаждении вещества — здесь: [2].

Несмотря на долгую историю исследований жидких кристаллов (открыты они были в 1888 году), они не перестают удивлять. Так, в ­прошлом году был обнаружен сегнетоэлектрический нематик, удивительная и перспективная с точки зрения применения фаза, предсказанная более 100 лет назад Питером Дебаем и Максом Борном. Это убедительно демонстрирует, что, несмотря на то, что жидкокристаллический «бум», произошедший в 1970–1980-е годы, уже закончился, остается много разных вопросов и загадок в этой области. Думаю, в будущем и упорядоченные молекулярные системы еще не раз удивят нас.

Алексей Бобровский,
докт. хим. наук, профессор РАН, гл. науч. сотр. химического факультета МГУ

  1. youtu.be/JjiE2_tkFk0
  2. youtu.be/1jIZtg8-u9c
  3. pnas.org/content/117/25/14021

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (4 оценок, среднее: 4,25 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: