Файл: Васин, М. Д. Жидкая радуга.pdf

ных изменений внутреннего строения самого вещества. Для того чтобы проникнуть в существо явления, не­ мецкий физик, изучая присланные ему препараты, пользовался поляризационным микроскопом. И он об­ наружил, что мельчайшие частицы расплавленного вещества, которые до того пропускали падающий на них свет одинаково во всех направлениях, при темпе­ ратуре ниже 179 градусов теряли это Свойство. Теперь частицы расплава собирались группами и образовы­ вали множество как бы микроскопических призмочек, расположенных совершенно беспорядочно. Каждая из них, понятно, по-своему преломляла свет. В результа­ те лучи, многократно изломанные и отраженные на гранях призмочек, не могли пройти напрямую через слой расплавленного вещества. Микропризмы рассеи­ вали свет, и препарат воспринимался как мутный...

Можно так «перевести» ваши слова?

— Точность, конечно, несколько потеряна. Но в

20

основном можно. Однако продолжим. Вторая загадка, загаданная детищем Рейнитцера,— синеватая окраска, появляющаяся при переходе через температурные пе­ ревалы 179 и 145 градусов. Обретение цвета — тоже признак внутренних изменений. Окраска возникала в момент, когда вещество приобретало ту или иную сте­ пень упорядоченности, когда атомы и молекулы вы­ страивались в спиральную структуру.

Впоследствии Леман установил, что оптической анизотропией обладают и другие соединения, химиче­ ски родственные веществу, которое синтезировал Рейнитцер. Характерной особенностью всех подобных сое­ динений было то, что, приобретая в том или ином ин­ тервале температур свойство кристалла — анизотро­ пию, они оставались по всем внешним признакам жид­ костями: могли течь, смачивали одни и не смачивали другие поверхности, образовывали капли, которые при соприкосновении сливались.

Эта особенность давала все основания считать—■ так предположил Леман,— что исследованные вещест­ ва способны находиться в каком-то неизвестном науке агрегатном состоянии, которое он, не поколебавшись, назвал жидкокристаллическим.

—Если бы Леман был не физиком, а поэтом или хотя бы журналистом, он, возможно, назвал бы изу­ ченные им соединения веществами-кентаврами?

—Может быть... Хотя, если быть точным, так их назвать нельзя. Эти соединения сами по себе обычные, так сказать, нормальные органические вещества, спо­ собные и образовывать обычные твердые кристаллы, и плавиться до состояния обычной жидкости. И лишь, переходя из одного состояния в другое, в промежуточ­ ной фазе (специалисты обозначают ее словом «мезофаза») вещество соединяет в себе одновременно черты

двух состояний.

21

— Понятно, понятно: если прибегать к «коне-чело- веческой» аналогии, картину надо детализировать. На­ пример, так. По горной дороге движется всадник. Пусть в обобщенном смысле лошадь и сидящий на ней человек представляют собой беизойнокислый холесте­ рин. В той или иной конкретной ситуации этот коне­ человеческий комплекс проявляет разные свойства. Скажем, всадник подъехал к духану, привязал коня к стволу инжирного деревца, а сам зашел в гостеприим­ но распахнутую дверь. Получается, что в условиях ду­ хана упомянутый комплекс проявляется в виде чело­ века, жующего шашлык и запивающего его вином (при температуре 179 градусов бензойнокислый холестерин существует в виде жидкости). Лошадь, привязанная к дереву,— тоже проявление свойств коне-человеческого комплекса, но в других условиях (при низких темпера­ турах вещество образует твердые кристаллы). И лишь когда всадник, закончив трапезу, вскочил в седло, гик­ нул и понесся вскачь, слившись с конем в единое ми­ фическое существо (туловище — лошадиное, голова и руки — человеческие), возник кентавр, или, используя

термин Лемана, жидкокристаллическое состояние ве­ щества. Так?

Ну, во всяком случае, итог верный: правильнее

сказать не «вещество-кентавр», а «кентаврическое со­ стояние вещества».

Однако вернемся к истории открытия. Уже в сле­ дующем году после публикации Рейнитцера — в 1889-м — в научной печати появилось и сообщение Ле­ мана о результатах его исследований. Потом еще одно и еще одно. Но статьи не принесли их автору заслу­

женного признания. Наоборот, они вызвали у многих ученых недоверие.

22

ОТКРЫТИЕ ИЛИ НЕЛЕПОСТЬ?

Термин «жидкие кристаллы» звучал непривычно. В представлении многих физиков и химиков такое со­ четание слов граничило с абсурдом. Абсурдом каза­ лось и то состояние вещества, которое обозначалось

этим словосочетанием.

— Может быть, надо сказать несколько слов в оп­ равдание ученых, которые не поняли и не приняли от­ крытия Лемана? — предложил журналист.— В те вре­ мена было хорошо известно, что вещество может пре­ бывать в трех состояниях: твердом, жидком, газооб­ разном (о плазме тогда еще не говорили). Четко и яс­ но. При углублении во внутреннее строение тел обна­ руживалось, что вещества могут иметь, во-первых, кристаллическую структуру — их молекулы, атомы или ионы расположены в том или ином строгом порядке. Таковы графит и поваренная соль, алмаз и лед. Вовторых, их структура может быть аморфной, неупоря­

доченной. Это жидкости.

Правда, среди последних есть, оказывается, мон­ стры: хотя они по своей натуре, внутреннему строению и многим свойствам являются, вне всякого сомнения, жидкостями, они тем не менее существуют в обличье твердого тела. Пример тому — стекло: обычная аморф­

ная, но твердая жидкость!

Казалось бы, нетрудно было предположить, что коль возможен «парадокс стекла», то почему бы не существовать и парадоксу с обратным знаком: крис­ таллическое вещество, но в виде жидкости? Ведь при­ роде так свойственна симметрия! Симметрия строе­ ния, процессов, явлений. Жар — мороз. Испарение — конденсация. Свет — мрак. Ультрафиолетовые — ин­ фракрасные лучи. Проводники — изоляторы. Твердая жидкость — жидкий кристалл.

23

Однако естественная сегодня мысль о возможности существования у стекла симметричного антипода 90 лет назад не приходила на ум. Куда более естествен­ ным было видеть в жидких кристаллах выдумку и че­ пуху.

— К этому следует кое-что добавить,— снова вклю­ чился в разговор физик.— Возможно, определенную роль в том, что вокруг открытия Репиитцера и Лемана разгорелись научные страсти, сыграла и первоначаль­ ная ошибочная гипотеза Лемана. Он высказал идею, что жидкие кристаллы, так же как и обычные, имеют трехмерную пространственную решетку, но обладаю­ щую большой подвижностью. Это предположение словно подхлестнуло скептиков, заставило формули­ ровать новые н новые гипотезы, по-иному объясняю­

щие внутреннее строение вещества в жидкокристалли­ ческой фазе.

Ну а когда торжествуют эмоции, терпят поражение

24

здравым смысл, логика, обычное для ученых стремле­ ние обосновывать свои мнения весомыми доводами... И вот одни противники Лемана стали доказывать, что жидкие кристаллы есть не что иное, как эмульсия, сильно рассеивающая свет, в результате чего препарат выглядит мутным. Пример такой эмульсии — молоко. Другие утверждали, что вещества-монстры образуют мельчайшие твердые кристаллики, окруженные жидкой пленкой и слипающиеся при соприкосновении. Третьи стояли на том, что жидкий кристалл — это, наоборот, капельки обычной жидкости, на поверхности которых тончайшая кристаллическая пленка...

Споры продолжались долго —до тех пор, пока мно­ гочисленные исследования Лемана, Шенка и других ученых, неопровержимо не доказали, что жидкокрис­ таллическое состояние является самостоятельным тер­ модинамическим состоянием вещества и что жидкие кристаллы отличаются от обычных жидкостей не толь­ ко оптическими, но и электрическими, магнитными и другими свойствами.

ОТ ЗАБВЕНИЯ — К СЛАВЕ

И что же? Жидкие кристаллы стали научной сенса­ цией, их принялись исследовать в лучших лаборатори­ ях мира? Ничуть не бывало. Как порой случается, от­ крытие нового состояния вещества оказалось прежде­ временным. Человечеству этот подарок в ту пору был не нужен, и оно, словно подросток, которому неждан­ но-негаданно на виду у всех преподнесли букет цве­ тов, долго не знало, что с ним делать и куда его деть.

Оказалось, что интерес к новому состоянию вещест­ ва поддерживался только благодаря спорам и сомне­ ниям. А когда стало понятно, что сделано открытие, многие ученые пожали плечами. Дескать, ну и что же.

25

И изучением жидких кристаллов продолжало зани­ маться всего несколько энтузиастов — физиков и хими­ ков в разных странах. Об открытии, вызвавшем столь­ ко шума, забыли на десятилетия.

Правда, в тридцатые годы наблюдался всплеск ис­ следовательской активности. В это время удалось об­ наружить довольно много новых жидкокристалличе­ ских веществ. Но на том дело и кончилось. Работав­ шие в этой области сочли, что самые важные тайны жидких кристаллов разгаданы, главные научные проб­ лемы решены, остались лишь трудности побочного ха­ рактера (юношеская самонадеянность порой присуща, увы, и седовласым физикам, и большим группам уче­ ных, представляющим целое научное направление). А кому захочется связывать свою судьбу с делом, кото­ рое сулит трудности и ничего более?

Не способствовало притоку молодых, свежих сил в эту область и то обстоятельство, что почти все авторы учебников по физике и химии относили открытие Рейнитцера и Лемана к разряду лабораторных курьезов и полностью игнорировали его, не удостаивая жидко­ кристаллическое состояние вещества даже краткого упоминания. Для молодежи, пришедшей в науку в первой половине нынешнего века, веществ, способных

обретать облик кентавров, словно бы никогда и не су­ ществовало.

И вдруг — новый парадокс, новый поворот в судь­ бе жидких кристаллов. Постепенное накопление зна­ ний о них, изучение их свойств, их внутреннего строе­ ния известными отечественными и зарубежными уче­ ными: А. В. Шубниковым, Г. В. Вульфом, В. К- Фреде­ риксом, В. Н. Цветковым, А. Б. Млодзеевским, Д. Форлендером, Ж. Фриделем, Ш. Могеном, П. Гранжаном, В. Брэггом, Дж. Берналом — пробудили в пятидеся­ тых — шестидесятых годах новый интерес к этим за-

26

гадочмым веществам. Под руководством члена-коррес- пондента АН СССР Б. К. Вайнштейна разворачива­ ются систематические научные работы в Институте кристаллографии Академии наук СССР, в Иванов­ ском государственном университете, созданном на ос­ нове Ивановского педагогического института, и в Ива­ новском медицинском институте.

И будто кто открыл шлюзы. За короткое время было опубликовано более 100 научных работ, посвя­ щенных жидким кристаллам, сделано 20 изобретений. Лаборатории и исследовательские группы возникают все в новых и новых институтах и городах. На 2-ю Все­ союзную конференцию по жидким кристаллам, состо­ явшуюся в Иванове в 1972 году, съехались предста­ вители 100 учреждений и 25 министерств. Прошло еще два года, и в 3-й Всесоюзной конференции приняло участие более 160 научно-исследовательских учрежде­ ний, вузов и предприятий.

Подобный процесс наблюдается и в других странах, особенно в США, Англии, ФРГ, Японии. Если за первые 30 лет исследований было открыто или синтезировано примерно 300 химических соединений, способных образовывать загадочные, как их иногда называют, анизотропные жидкости, а за следующий трпдцатплетний период их количество утроилось, то за последние 15—20 лет появилось несколько тысяч но­ вых жидкокристаллических веществ, к список их про­ должает расти.

Заметим, что больше всего анизотропными жидкос­ тями интересуются физики, химики, электротехники, специалисты по электронике. Показательно, что в США лаборатории жидких кристаллов возникают помимо университетов, при фирмах, вырабатывающих элек­ трическое, радиотехническое, телефонное и электрон­ ное оборудование, а также в армии.

27

Чем же привлекают жидкие кристаллы специалистов столь разного профиля? Если говорить коротко, то прежде всего возможностью исследовать фундамен­ тальные проблемы строения вещества и решать слож­ нейшие технические задачи простым и дешевым спо­ собом. У исследователей «кентаврического состояния» появился стимул, которого за всю историю жидких кристаллов никогда не было,— возможность практиче­ ского применения. Лабораторный казус, способный, как долго казалось, лишь забавлять поклонников чис­ той науки, вдруг превратился, если так можно выра­ зиться, в мастера на все руки.

Но (и опять неожиданность!) интерес к анизотроп­ ным жидкостям также связан с попытками науки ре­ шить фундаментальные проблемы зарождения и раз­ вития живой материи. Как выяснилось, природа стала широко использовать жидкие кристаллы еще в те вре­ мена, когда только приступала к своим опытам по соз-

28

данию живых организмов. И, не изобрети она это со­ стояние вещества, неизвестно, существовала ли бы на Земле нынешняя жизнь...

Некоторые ученые предполагают, что древнейшие предки животных и растений — коллоидные капельки, возникавшие в густых и теплых волнах первичного Мирового океана, имели именно жидкокристалличе­ скую структуру. Это означает, что, будучи пластичны­ ми и изменчивыми, они вместе с тем обладали упоря­ доченностью расположения молекул, устойчивостью к внешним воздействиям и, более того, способностью активно извлекать из морской воды необходимые для своего существования и развития вещества.

ПОДРАЖАЯ ПРИРОДЕ

Конечно, утверждать, что на заре земной жизни все обстояло именно так, сейчас трудно. Но вот совре­ менный факт. Ученые поместили в специальную каме­ ру, в которой имитировали древний климат нашей планеты, нефть. Вскоре в ней были обнаружены ка­ пельки жидкого кристалла. Они образовались «сами по себе».

Подобные капельки ведут себя весьма своеобраз­ но. Если две капли соприкасаются, они, естественно, сливаются в одну. Но внутреннее строение этого ново­ рожденного жидкокристаллического «организма» в разных его частях останется примерно таким же, ка­ ким было у капель-«предков».

—Здесь нетрудно увидеть некоторую аналогию с коагуляцией простейших микроорганизмов,— вставил журналист.

—Вот именно. Однако надо подчеркнуть — только аналогию. Если два вещества, из которых состоит

29