Рідкі кристали (стр. 4 из 6)

Схематично структуру молекул ліотропних рідких кристалів звичайно зображають в вигляді хвилястої лінії або відрізку прямої, що закінчуються кільцем або сферою (рис. 5.1.9), які позначають відповідно ланцюг і полярну групу.

Рисунок 5.1.9 – Схеми молекул ліпідів

Поняття розчинності в випадку водних розчинів ліпідів відрізняється від класичного. В класичному розумінні ліпіди в воді нерозчинні. Їх розчинність основана на оточенні полярних груп молекулами води. Це скоріш гідратація, а не розчинення. Упорядкування молекул ліпідів в мезоморфній фазі є результат селективної взаємодії двох або більше видів молекул. В амфіфільних розчинах головну роль в межмолекулярній взаємодії грають два типи сил: електростатичні та дисперсіонні. Електростатичні сили виникають завдяки наявності іонів та диполей. Взаємодія між іонами, між диполями та між іонами та диполями приводять до певного упорядкування молекул.

5.2 Структура ліотропних рідких кристалів

Амфіфільні ліпіди, притягаючись своїми полярними групами, утворюють бімолекулярні шари (рис. 5.2.10). Така шарувата структура – результат наявності полярних груп із гідрофобними ланцюжками.

Рисунок 5.2.10 – Схема бімолекулярних шарів амфіфільних ліпідів

Процес проникання води в таку шарувату систему показан схематично на рис.5.2.11. Він заснований на впроваджуванні молекул води між шарами та набуханні амфіфільної речовини. В результаті цього утворюється бімолекулярне нашарування. Впроваджування води в твердий кристал амфіфільного ліпіду проходить тільки за певною, характерною для даної речовини температурою. Ця температура називається мінімальною температурою проникання або температурою пенетрації.

Рисунок 5.2.11 – Проникання води в бімолекулярні амфіфільні шари

В ідеальному розчинні двох або більше неполярних рідин всі молекули взаємодіють між собою однаково та симетрично. Під впливом їх теплового руху установлюється рівноважне розподілення молекул. В розчинах речовин, що утримують амфіфільні молекули, спостерігається тенденція з’єднання однорідних груп молекул. В результаті такої взаємодії утворюються системи, в яких гідрофобні групи згруповані разом і оточенні гідрофільними групами, що виступають на поверхню системи. Форма, розмір і положення таких локальних систем внаслідок теплового руху підлягають постійній зміни, але при цьому вони завжди знаходяться в рівновазі з системами сусідніх молекул. Системи амфіфільних молекул, що потерпають змін, називаються міцелами. Міцели носять характер статистичних утворювань, тому їх не бажано розглядати як стабільні об’єкти з певною геометрією. В ліотропному рідкому кристалі групи міцел знаходять чітку стабільність й дальній порядок. Зміна умов (температури, тиснення або концентрації компонентів) зараз же викликає зміни упорядкування міцел. Основою класифікації ліотропних рідких кристалів є оптичні та рентгенівські дослідження структури ліотропних рідких кристалів, проведенні Лузатті та ін. Питання класифікації ліотропних рідких кристалів ще не вирішене остаточно. Ліотропні рідкі кристали поділяються на чотири основні групи: рідкі кристали лінійної структури (мильні ядра) – символ групи L; рідкі кристали комірчастої структури (символ групи Р); рідкі кристали комірчастої структури з чашечками гексагонального двомірного пакування (символ групи Р_Н); рідкі кристали кубічної симетрії (символ групи С).

Кожна з згаданих груп підрозділяється на відповідні класи. Перейдемо до конкретного описання цих груп та класів, що в них утримуються. На рис. 5.2.12 зображені структурні схеми цих груп.

Рисунок 5.2.12 – Структурні схеми різних груп ліотропних рідких кристалів. а – лінійна структура (L); б – комірчаста структура; в – комірчаста гексагональна структура Р_Н; г – структура кубічної симетрії (С); д – сімейство міцел. Вектори 1,2 і 3 показують ступінь орієнтації (1-,2- і 3-мірна), в точці (·) орієнтація відсутня

5.2.1 Ліотропні рідкі кристали лінійної структури

Група ліотропних рідких кристалів лінійної структури поділяється на три класи, які позначаються символами L₁, L₂, L₃. Клас L₁ – пластинчата структура – охоплює рідкі кристали, в яких молекули та іони розташовані в подвійних шарах, розділених водою. Цей клас кристалів називається мильними ядрами. Клас L₂ – пластинчата структура – вміщує рідкі кристали з одиночними шарами молекул і іонів, розділених водою. Структурні схеми цих класів показані на рис. 5.2.1.13. Клас L₃ – шарувата структура з подвійними шарами молекул і іонів, розділених водою. Осі молекул в шарах перпендикулярні до плоскості шарів ябо нахиленні під деяким кутом.

Рисунок 5.2.1.13 – Структурні схеми групи ліотропних рідких кристалів лінійної структури

5.2.2 Ліотропні рідкі кристали комірчастої структури

Сукупність ліотропних рідких кристалів комірчастої структури включає дві групи: Р та Р_Н. Ці групи в свою чергу поділяються на шість класів: Р₁, Р₂, Р₃, Р_Н1, Р_Н2 та Р_Н3.

До групи Р відносяться три класи (рис. 5.2.2.14). Клас Р₁ містить агрегати молекули – комірці – в формі стрижнів з органічною серцевиною, оточені водою. Перетин стрижнів в основному чотирьохкутне. Це нормальна двомірна тетрагональна структура Р₁. Клас Р₂ включає комірці в вигляді стрижнів з водною серцевиною. Перетин стрижнів квадратний. Цей клас називається зворотною двомірною тетрагональною структурою. Клас Р₃ охоплює комірці ромбоедричного пакування в формі стрижнів з органічною серцевиною, оточенні водою. Перетин стрижнів прямокутний – нормальна двомірна прямокутна структура.

Рисунок 5.2.2.14 – Структурні схеми групи ліотропних рідких кристалів комірчастої структури

До групи Р_Н відносяться також три класи. Клав Р_Н1 містить комірці з гексагональним пакуванням в формі стрижнів з органічною серцевиною. Перетин стрижнів має форму кільця або шестигранника. Ця середня фаза або нормальна двомірна гексагональна структура в залежності від форми перетину стрижня. Клас Р_Н2 містить комірці з гексагональним пакуванням в формі стрижнів з водною серцевиною. Перетин стрижня має форму кільця або шестигранника, це зворотна двомірна гексагональна структура (рис.5.2.2.15). Клас Р_Н3 включає частки більш складної структури, оточенні водою та які мають гексагональне пакування – комплексна двомірна гексагональна структура.

Рисунок 5.2.2.15 – Структурні схеми групи ліотропних рідких кристалів комірчастої гексагональної структури

5.2.3 Ліотропні рідкі кристали кубічної структури

Ці кристали складають групу С, яка складається з двох підгруп: IV – 1 та IV – 2. До першої відносяться класи С_f з кубічним гранецентрованим пакуванням, до другої – класи з об’ємноцентрованим кубічним пакуванням С_b.

Клас С_f поділяється на три підкласи: С_f1, C_f2 та C_f3. До цих підкласів відносяться комірці гранецентрованої кубічною структурою, які розташовані в об’ємній решітці. Перетин комірців може змінюватись від кільцеподібних до дванадцятигранних. Підклас С_f1 містить комірці з органічною серцевиною, оточені водою – нормальна гранецентрована кубічна структура. Підклас С_f2 – з водною серцевиною – зворотна гранецентрована кубічна структура. Підклас С_f3 включає комірці більш складної структури – комплексна гранецентрована кубічна структура.

Клас С_b розділяється на два підкласи: C_b1 та C_b2. До цих підкласів відносяться комірці кубічної об’ємноцентрованої структури з кільцеподібним перетином. Підклас С_b1 – нормальна об’ємноцентрована кубічна структура – містить комірці з органічною серцевиною, оточену водою. Підклас С_b2 – комплексна об’ємноцентрована кубічна структура – комірці більш складної форми з кубічним об’ємноцентрованим пакуванням. [4]

6. ДЕФЕКТИ В РІДКИХ КРИСТАЛАХ

Якщо не приймати спеціальних засобів обережності для отримання однородного препарату, то при плавленні твердої мезогенної речовини отримуються ті чи інші складні текстури. Проявлення різних типів дефектів, тобто порушень оптичної безперервної рідкокристалічної фази.

Ці дефекти надзвичайно різноманітні. Нитки, ядра, інверсійні стінки, петлі, конфокальні домени – добре видні за допомогою звичайного поляризаційного мікроскопа, так як вони мають достатньо великі розміри. Вже цим дефекти в рідких кристалах відрізняються від дефектів в твердих тілах, де вони мають субмікроскопічні розміри й за допомогою звичайної мікроскопічної техніки вирішуються погано. Причина такої різниці в розмірах полягає в тому, що енергія, необхідна для стабілізації дефектів в рідких кристалах, трохи менше відповідній енергії для твердого кристала. Дефекти в рідких кристалах часто стабілізуються опорними стінками або сторонніми включеннями. Вони виникають в процесі плавлення твердого кристала, при приложені електричних і магнітних полів, при виниканні градієнтів температури, в результаті механічних деформацій.