Файл: Васин, М. Д. Жидкая радуга.pdf

пластинки. Отростки мешают молекулам располагать­ ся параллельно, чтобы улечься поплотнее, им надо ото­ двинуться немного вбок. Так поступает каждая моле­

кула. В результате образуется нечто вроде винтовой лестницы.

Модель холестерической спирали можно воспроиз­ вести с помощью игральных карт. Бросим на стол де­ сяток карт. Обязательное условие — карты должны ле­ жать в один слой, головами в одну сторону. Поверх этого слоя бросим второй, но так, чтобы направление голов чуть сдвинулось по часовой стрелке. В третьем слое это направление сдвигается на тот же угол. Те­

перь то, что лежит на столе, отдаленно напоминает веер.

Но работа наша только началась. Точно так же на­ до расположить четвертый, пятый, десятый, двадцатый слои (если хватит колод). Генеральное направление сделает при этом полный оборот, а может быть, и не­

90

сколько оборотов. Веер превратился в винтовую лест­ ницу, в спираль.

Но сколько бы мы ни брали колод карт, наша мо­ дель изобразит лишь малую часть холестерической винтообразно закрученной структуры. Надо обратить внимание на следующее обстоятельство. Угол сдвига каждой молекулы-ступеньки очень мал. Поэтому шаг винтовой лестницы (расстояние между двумя витка­ ми) в молекулярных масштабах очень велик. Однако в миллиметровом слое жидкого кристалла молекулярная спираль тем не менее делает от 100 до 300 витков.

Винтообразное расположение молекул, большой, сравнимый с длиной световой волны шаг спирали-— главные особенности строения вещества в холестериче­ ской фазе. Это изумительный по совершенству меха­ низм, который позволяет жидкому кристаллу ощущать, меняя цвет, ничтожные температурные, электрические

имагнитные поля, излучения, примеси, механические

иакустические воздействия.

Но винтообразная структура холестерических жид­ ких кристаллов (точно так же, как плоские слои смек­ тиков и всеобщая устремленность в одну сторону нема­ тиков) существует лишь в идеале да в очень неболь­ ших зонах жидких кристаллов. В реальных условиях многочисленные посторонние силы сминают вытканную из нежных пружинок молекулярную ткань в крутые складки, вздымают ее острыми пиками, покрывают трещинами, закручивают в конусы, гофрированные шары и трубки.

РАСТВОРЯЯСЬ, РОЖДАЮТСЯ

Класс лиотропных жидких кристаллов мало изучен. Однако ясно: как бы широко ни использовались актив­

91

но исследуемые термотропные кристаллы, по практи­ ческой применимости они никогда не сравнятся с лиот­ ропными. Ибо последние издавна облюбовала и широ­ чайшим образом применяет живая природа.

Лиотропные кристаллы образуются в процессе ра­ створения твердых веществ. К переходу в жидкокрис­ таллическое состояние при растворении способен це­ лый ряд органических соединений. Природа наиболее часто переводит ,в мезофазу полипептиды, фосфолипи­ ды, церебрознды, скопления вирусов.

В живом организме, как уже упоминалось, жидкие кристаллы (в подавляющем большинстве лиотропные) выполняют много ответственных функций. По-видимо- му, наиболее важное их назначение — создавать кле­ точные мембраны, различные биологические чехлы и оболочки. Поэтому лиотропные жидкие кристаллы мо­ гут служить удобной моделью для изучения процессов обмена веществ в клетках, механизмов защиты и функ-

92

ционирования жизненно важных биологических обра­ зований.

Многие коллоидные системы (т. е. жидкости, насы­ щенные мельчайшими частицами другого вещества) образуют лиотропные кристаллы, структура которых напоминает нематическую, холестерическую или смек­ тическую. Таковы, например, разбавленные водой мы­ ла, скопления вируса табачной мозаики, некоторые по­ липептиды.

По мере увеличения количества растворителя не­ редко удается получить сначала смектический жидкий кристалл, затем нематический и в конце концов изо­ тропную жидкость. Но некоторые вещества дают жид­ кие кристаллы только одного типа, например лишь хо­ лестерическую фазу.

Хотя лиотропные кристаллы часто и склонны, под­ чиняясь общим правилам, образовывать три классиче­ ских типа структур, все же самая характерная их осо­ бенность— весьма сложное и прихотливое внутреннее строение. Их молекулы сначала объединяются в моле­ кулярные комплексы — мицеллы. Это разнообразные нити, трубки, цилиндры, шарики или прямоугольники. Мицеллы, в свою очередь, собираются в более крупные образования — либо пучки параллельных нитей, либо вырастающие друг из друга шары.

Иногда слои молекул свертываются в довольно толстые трубки диаметром от 0,01 до 0,02 миллиметра. Особой склонностью вырабатывать такие трубки обла­ дает раствор холестерина в глицерине. Холестерин сое­ диняется с глицерином при определенной температуре. Вскоре образуются трубочки яркой, радужной окрас­ ки. Во время роста они переплетаются подобно клубку змей.

Причудливые образования открываются взору чело­ века, рассматривающего в микроскоп вещества в лио­

93

тропной фазе — ленты, конусы, слоистые пирамиды, сигароподобные тела, напоминающие ракеты, шары, покрытые параллельно закручивающимися бороздка­ ми. Кажется, словно кто-то, кто лепил и шлифовал эти микроскопические сферы, оставил на их гладкой по­ верхности отпечатки своих пальцев. Когда-нибудь тай­ ны лиотропных кристаллов будут раскрыты, и мы пой­ мем смысл и значение этих изящных произведений природы.

Лиотропные жидкие кристаллы могут образовы­ ваться и в трехкомпонентных системах. В связи с этим возможности их получения значительно расширяются: если то или иное органическое соединение неспособно растворяться в подходящем растворителе (и, следова­ тельно, давать лиотропные кристаллы), надо поискать растворитель среди коллоидных систем.

Скажем, точка плавления чистого холестерина 148,5 градуса Цельсия. В воде он не растворяется. А4ожет ли такое вещество перейти в жидкий кристалл при комнатной температуре? Если обратиться к мето­ ду получения трехкомпонентной смеси — растворить холестерин в мыло-водном растворе определенной концентрации, проблема разрешится: холестерин об­ разует при комнатной температуре стабильный жид­ кий кристалл.

НА ПОДСТУПАХ К ТЕОРИИ

Подводя итог сказанному о структуре жидких крис­ таллов, следует еще раз подчеркнуть/что в этой облас­ ти далеко не все ясно. Предстоит большая работа. На­ пример, известно много веществ, которые могут нахо­ диться в холестерической фазе, а при более низкой температуре переходят в смектическую, слоистую.

94

Другие холестерические кристаллы способны превра­ щаться только в нематические. Почему? Чем объяс­ нить, что наряду с этими есть и такие вещества, кото­ рые дают нематическую и смектическую мезофазы, но никогда — холестерическую. Уже говорилось, что не­ редко смектические жидкие кристаллы образуются сразу после плавления твердого кристалла. Однако нередки случаи, когда из твердого кристалла образу­ ется и нематическая фаза.

Многие из подобных фактов объяснены, обнару­ жены их конкретные причины. И все же сведения, ко­ торыми располагает в этой области наука, явно недо­ статочны, чтобы построить стройную систему взглядов, дающую возможность объяснять все особенности уже открытых фазовых переходов и предсказывать их.

Попытки создать теорию жидкокристаллического состояния вещества предпринимаются давно. Не­ сколько концепций основательно разработано. Но ни одна из них не в состоянии истолковать все известные факты о поведении этих веществ, все их свойства, все особенности строения. Тем не мепее исследования по­ могают понимать, интерпретировать явления, обнару­ женные при изучении мезофазы, и, главное, вселяют надежду, что из частных теорий будет создана общая, которая во всех деталях объяснит, что же такое жид­ кие кристаллы, как они устроены, какие процессы в них происходят.

Одна из интересных концепций, которая родилась в начале века, а потом, в тридцатых годах, была допол­ нена и развита, пытается осмыслить явления, происхо­ дящие в нематической фазе. В основе ее лежит ут­ верждение, что нематический жидкий кристалл в большом объеме (несколько кубических миллиметров) состоит из множества молекулярных групп — так на­ зываемых роев. В каждом из них от 10 тысяч до 1 мил-

95

лиона молекул. В роях существует довольно строгий порядок. Все молекулы ориентированы в определен­ ных направлениях. Сами же рои расположены беспо­ рядочно, поэтому жидкий кристалл в большом объеме выглядит мутным. Под действием теплового движения в веществе рои постоянно колеблются и разрушаются. Однако вместо них тут же рождаются новые рои с иной ориентацией молекул.

Рои весьма малы. Именно из них складываются более крупные жидкокристаллические образования — домены — как бы небольшие кристаллики разной фор­ мы. Домены заставляют молекулярные рои подчинять­ ся собственному порядку и ориентироваться в соот­ ветствии с их формой. Однако и здесь рои сохраняют некоторую самостоятельность, подвижность. Под дей­ ствием теплового движения в веществе они могут на мгновение отклоняться от главного направления ори­ ентировки. Правда, они тут же возвращаются в исход-

96

пое положение. Эти отклонения позволяют увидеть от­ дельные рои в микроскоп. Они выглядят как малень­ кие мерцающие звездочки.

Исследования последнего времени показывают, что теория роев требует уточнения. В частности, вряд ли можно считать, что рои обладают той самостоятель­ ностью и жесткостью, которая приписывается им. Среда жидкого кристалла, несомненно, более непре­ рывна.

Это, конечно, не означает того, что данная теория во­ обще неверна. Она удовлетворительно объясняет це­ лый ряд закономерностей в жидких кристаллах — рассеяние света, вращение молекул во вращающемся магнитном поле и т. д. Можно лишь сказать, что теория становится менее убедительной при рассмотре­ нии жидкого кристалла не в большом, миллиметровом объеме, а в тонких образцах, заключенных между твер­ дыми поверхностями.

В противоположность теории роев другая теория утверждает, что направление ориентации молекул жид­ кого кристалла изменяется по всей толще вещества непрерывно — от точки к точке. И лишь около немати­ ческих нитей происходит резкое изменение ориентации.

Сторонники этого направления, основываясь на более поздних теоретических и экспериментальных раз­ работках, приходят к выводу, что ориентироваться по направлениям разной кривизны могут молекулы не только нематиков, но и жидких кристаллов других типов.

Таковы две самые серьезные и убедительные теории жидкокристаллического состояния вещества. На фоне загадок, противоречий и неясностей этих теорий осо­ бенно хорошо видно, как мало нам известно и как мно­ го еще предстоит узнать и сделать.

7 Жидкая радуга