Где применяются жидкие кристаллы


Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

  • 1 История открытия жидких кристаллов
  • 2 Группы жидких кристаллов
  • 3 Применение жидких кристаллов
  • 4 Ссылки

История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытию не нашлось применения.

В 1940 г., Виктор Николаевич Цветков сформулировал фундаментальные представления современной физики жидких кристаллов, лежащие в основе применения мезоморфных жидкостей в технике. В.H. Цветков объяснил природу ориентирующего воздействия электромагнитных полей на жидкокристаллические образцы, связанную с их диэлектрической и диамагнитной анизотропией; разработал теоретические и экспериментальные методы изучения упругих деформаций нематических слоев в электромагнитных полях. В.Н. Цветков открыл и объяснил явление динамического рассеяния света в жидких кристаллах, связанное с анизотропией их электропроводящих, диэлектрических и вязкостных свойств.
игинальный метод вращающегося магнитного поля позволил впервые определить вращательную вязкость нематика и исследовать времена макроскопической переориентации жидкокристаллических веществ, что имело принципиально важное значение для понимания динамических свойств мезофаз. Систематические исследования позволили В.Н. Цветкову сформулировать общую теорию мезоморфного состояния и ввести меру дальнего ориентационного межмолекулярного порядка в жидких кристаллах, а также разработать экспериментальные методы определения этой важнейшей характеристики мезофазы.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3 114 836), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray) получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:


  1. термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.
  2. лиотропные ЖК, которые представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает с двух концов, филос — любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН3-(СН2)n-2-СО2 (где n ~ 12-20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО2 стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:


  1. Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.
  2. Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис(nара-бутиланилин):
  3. Холестерические жидкие кристаллы — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат

Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК.

Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором — называемым «директором».

В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.


Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через нуль при температуре 146 °C, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.

Применение жидких кристаллов


Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.


Источник: dic.academic.ru

У каждого из нас есть жидкокристаллический монитор – в мобильном телефоне. Где еще работают жидкие кристаллы и какие перспективы видит наука в их применении – об этом радиостанция "Вести ФМ" побеседовала с доцентом кафедры высокомолекулярных соединений МГУ, лауреатом премии президента России в области науки и инноваций для молодых ученых за 2009 год, старшим научным сотрудником, доктором химических наук Алексеем Юрьевичем Бобровским.

Мы публикуем стенограмму передачи «Наука 2.0» – совместного проекта информационно-аналитического канала «Полит.ру» и радиостанции «Вести FM». Гость передачи – доцент кафедры высокомолекулярных соединений МГУ, старший научный сотрудник, кандидат химических наук, лауреат премии Президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2009 год Алексей Бобровский. Услышать нас можно каждую субботу после 23:00 на волне 97,6 FM.
 

Анатолий Кузичев: В эфире совместный проект радиостанции «Вести FM» и Интернет-портала «Полит.ру» «Наука 2.0». Ведущие программы – Борис Долгин, Дмитрий Ицкович и Анатолий Кузичев. Приветствуем всех.

Как и на прошлой неделе, у нас в гостях Алексей Бобровский – доцент кафедры высокомолекулярных соединений МГУ, старший научный сотрудник, доктор химических наук, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инновации для молодых учёных за 2009 год.


Как раз об этих ваших высокомолекулярных соединениях хотим поговорить. В прошлый раз мы поговорили о том, как живётся молодому учёному в России. Общая оценка – живется так себе.

Дмитрий Ицкович: Жизнь нелегка и неказиста. Или наоборот?

А.К.: Нелегка, неказиста, бедна…

Д.И.: Но одновременно весела и интересна…

А.К.: И весьма музыкальна в случае с Алексеем Бобровским.

Теперь давайте про высокомолекулярные соединения. Мы в них ничего не понимаем, поэтому не исключено, что общий заряд программы, в отличие от предыдущей, будет очень позитивным.

Алексей Бобровский: Надеюсь, что да.

Начну я с жидких кристаллов.

А.К.: То есть с 1908 года.

А.Б.: В 1888 году было синтезировано первое вещество и обнаружено так называемое жидкокристаллическое состояние. Это сделал австрийский ботаник Рейнитцер, который изучал производные холестерина и холестерилбензоат. Холестерилбензоат повёл себя очень странным образом. Если взять обычное кристаллическое вещество, например, лед, и нагреть до нуля градусов, то начнётся плавление в прозрачную жидкость. Кристаллики льда перейдут в прозрачную бесцветную жидкость.

А.К.: Да¸ нам знаком этот опыт.

А.Б.: А вот в случае холестерилбензоата при нагревании до определённой температуры кристаллики переходят вначале в мутную жидкость, потом она существует в некотором интервале температур мутной, а с определённой точки при дальнейшем нагревании переходит уже в прозрачную жидкость.
ачале он подумал, что это вещество загрязнённое или ещё какие-то другие проблемы. Но после тщательной очистки всё-таки выяснилось, что данное свойство присуще этому веществу, это не является каким-то артефактом. И он отправил своему знакомому немцу Отто фон Леману это вещество, чтобы тот посмотрел на него в микроскоп. А Отто фон Леман занимался так называемыми пластическими кристаллами, был специалистом в этом деле..

А.К.: Я представляю себе письмо, сопровождающее это. «Отто, друг!..»

Д.И.: Или «Дорогой Отто…»

А.К.: Или «Дорогой Отто фон…, мутные какие-то кристаллы в последнее время выходят».

А.Б.: Кстати, Анатолий Степанович Сонин об этом мог бы рассказать более подробно как историк науки и как человек, который всю жизнь занимался жидкими кристаллами.

А.К.: Давайте сейчас не об истории науки.

А.Б.: Вкратце. Я не буду подробно рассказывать историю открытия и изучения жидких кристаллов. Скажу только, что жидкокристаллический бум начался в 1968 году – через 80 лет после открытия. В течение этих 80 лет всерьёз их не исследовали. Конечно, были работы, в том числе советский физик Всеволод Фредерикс (1885-1944) их исследовал, но особого ажиотажа не было, и публикаций было немного.

А.К.: Это к вопросу о связи науки и технологии. 80 лет каких-то.

А.Б.: Существует временное запаздывание. Тогда поняли, что жидкие кристаллы можно использовать при изготовлении часов, в качестве цифровых индикаторов.

А.К.: А как это поняли?

А.Б.: Как раз почитали работы Фредерикса того же, который изучал влияние различных полей магнитного электрического поля на эти жидкие кристаллы.

Д.И.: Секундочку, давайте подробнее, потому что ведь это про инновации, о том, что сейчас так всех волнует.

Д.И.: И кто, прочитав, понял, что это может быть введено в промышленность и на этом можно зарабатывать?

А.Б.: Я так представляю, одновременно несколько исследовательских групп и несколько фирм. То есть чей приоритет, какая фирма, не скажу.

А.К.: Общую схему нарисуйте, пожалуйста

Д.И.: Как, кому пришло в голову, что надо сейчас почитать Фредерикса, или они уже раньше это читали, и проблема у них на что-то наложилась?

А.Б.: Я конкретно эту историю не знаю. Может быть, Сонин об этом расскажет.

Борис Долгин: Ещё раз. Что Фредерикс делал с жидкими кристаллами?

А.Б.: Он изучал влияние магнитного электрического поля на ориентацию молекул жидкого кристалла. Жидкий кристалл – это обычно палочкообразные молекулы, имеющие вытянутую, анизометричную форму. Их важное достоинство, что направление ориентации вот этих длинных осей молекул, вот этих палочек можно легко изменять внешними воздействиями. Например, электрическим полем. Когда поняли, насколько сильно при этом меняются их оптические свойства, то стало ясно, что их можно использовать для каких-то индикаторов. А когда произошло развитие компьютерной техники, поняли, что их можно использовать в дисплеях – как более продвинутые версии индикаторов, цветные дисплеи. Разумеется, тогда интерес к ним сильно возрос. В 1968 году прошла первая международная конференция по жидким кристаллам, и количество публикаций стало стремительно расти. Так что научное открытие послужило толчком к технологическому прорыву, а в свою очередь…

Д.И.: Технология стала заказчиком.

А.Б.: Конечно, заказчиком жидких кристаллов. Сейчас уже, конечно, нет такого интереса к жидким кристаллам с точки зрения дисплейных технологий. У каждого из нас есть жидкокристаллический монитор в мобильных телефонах. Можно себе представить, насколько широкое распространение получили эти жидкие кристаллы. Но всё ещё много работ появляется по не дисплейным применениям жидких кристаллов: в качестве различных сенсоров, и, может быть, какие-то прорывы будут в этом направлении тоже. Мне видится так, что сейчас уже не будет серьёзных исследований, посвящённых жидким кристаллам с точки зрения дисплеев, хотя какие-то перспективы там ещё есть, но уже не столь яркие. Но не дисплейные применения жидких кристаллов, я думаю, ещё будут…

Д.И.: А что будет?

А.Б.: Возможно, какие-то сенсоры, например, на ионы металлов, что-то такое можно пофантазировать. Есть же оптоэлектроника, коммуникационные технологии. Там для различных оптических переключателей могут найти применение жидкие кристаллы…

А.К.: Слушайте, а если с ними уже всё понятно, зачем вы ими занимаетесь?

А.Б.: Вообще говоря, далеко не всё понятно. Существует хорошая, чёткая теория только самого простого типа жидкокристаллического состояния. А жидкокристаллических фаз множество: несколько десятков. И они обладают разными интересными свойствами. Теоретическое описание жидких кристаллов, сложных фаз ещё под вопросом. Наша лаборатория занимается жидкокристаллическими полимерами…

Д.И.: А вопрос в чём?

А.Б.: Вопрос, как можно описать, как можно понять, почему жидкие кристаллы ведут себя именно так, и можно ли предсказать свойства, зная химическую структуру. Эта проблема ещё не решена до конца.

А.К.: А какая сейчас базовая гипотеза?

А.Б.: Существуют внятные теории самого простого порядка – нематической фазы так называемой.

А.К.: Алексей, мы же ничего не понимаем, вы нам как-нибудь так объясните, чтобы мы поняли.

А.Б.: Существует такая проблема: связь «структура-свойство». Ну, вот химик синтезирует вещество. К сожалению, сейчас не существует каких-либо подходов к чёткому описанию. Например, есть такая технологическая задача: требуется такое-то вещество с конкретными свойствами. К сожалению, химику приходится синтезировать целый ряд разных веществ, чтобы подобрать структуру с нужным свойством. А задача бы сильно упростилась, если бы существовали чёткие представления о том, как химическая структура влияет на свойства конечного вещества. Как можно это делать целенаправленно. Конечно, существует огромный прогресс в этой области, но окончательных ответов нет, потому что это достаточно сложные вещи.

Б.Д.: И вы пытаетесь найти эту закономерность.

А.Б.: В том числе. Наша лаборатория занимается жидкокристаллическими полимерами. Почему возникла идея их создания? Это связано с тем, что обычные жидкие кристаллы, не полимерные, низкомолекулярные, с точки зрения материала не обладают хорошими механическими свойствами. Из них нельзя сделать, допустим, плёнку, какое-то прочное покрытие – потому что они текут, это же всё-таки жидкости. А вот у полимеров есть такое замечательное свойство: образовывать стеклообразное состояние. Название этого состояние само за себя говорит.

При каких-то температурах, например, выше 60 градусов, этот полимер проявляет свойства почти жидкости. Так же, как жидкий кристалл может изменить свою ориентацию под действием электрического поля, например. А при охлаждении до комнатной температуры эта изменённая структура может сохраняться в течение десятилетий. Вот такая замороженная структура. И она может быть интересна с точки зрения разных применений

А.К.: При условии, что комнатная температура не изменится?

А.Б.: Можно опять-таки, меняя структуру, подобрать эту температуру так, что она будет, например, больше 100 градусов. И тогда можно спокойно эксплуатировать это изделие уже в этом температурном интервале.

А.К.: Мы продолжаем разговор с Алексеем Бобровским, доцентом кафедры высокомолекулярных соединений МГУ, хотя только что он свои кристаллы назвал низкомолекулярными или что-то в этом роде.

А.Б.: Нет, низкомолекулярное – это то, что было исследовано, открыто первоначально и используется в дисплеях.

Д.И.: А за что вам премию президента Российской Федерации в области науки и инновации для молодых учёных за 2009 год дали?

А.Б.: Со стороны очень сложно оценивать свою работу. Мне кажется, за большое количество статей, многократно процитированных.

А.К.: То есть они не говорят за что, когда присуждают?

А.Б.: За цикл работ: «Многофункциональные, жидкокристаллические и фотохромные полимерные системы».

Д.И.: За этим циклом работ есть какое-то конкретное открытие, какая-то теория – или это просто исследовательский цикл?

А.Б.: Исследовательский цикл, так точнее назвать. Это больше 90 статей, которые процитированы больше 1000 раз – где-то 1100 раз. Есть специальные институты, которые это подсчитывают, занимаются наукометрией. Несмотря на условность этих наукометрических показателей, видимо, какой-то вклад в науку я все-таки сделал. Скорее всего, так.

А.К.: Прошу прощения, Дима, а ты будешь свой коронный вопрос задавать? За что дадут Нобелевку?

Д.И.: Попозже.

Б.Д.: В качестве предисловия к Диминому вопросу. Если все-таки попытаться обобщить: что и как вы пытаетесь выяснить?

А.Б.: Попытаюсь вкратце объяснить основную идеологию своей работы. Прежде всего, это химический синтез структурных элементов под названием мономеры, которые привносят в конечный материал разные свойства. Например, есть так называемые мезогенные мономеры. Они формируют мезофазу (или жидкокристаллическую фазу – это синонимы). Они ответственны за упорядочивание в системе. Другие фрагменты могут быть ответственны за формирование, например, спиральной структуры. Так называемые хиральные фрагменты, которые ответственны за фоточувствительность. Они привносят в систему способность менять свои свойства под действием света – разной длины волны в зависимости от структуры. Могут быть в систему введены группы, которые связывают ионы металла. Это относительно новое направление работы. И вот комбинация этих разных групп, и это может быть комбинация двух разных фрагментов в одной макромолекуле. Молекула полимера имеет цепочечное строение. Самый простой бытовой аналог – это бусы из одинаковых бусинок. А мы делаем более сложные комбинации. Представьте себе бусинки двух-трёх разных цветов, и они соединены в одну цепочку, причем каждый тип бусинок ответственен за свою какую-то функцию. Понятно, что в реальной плёнке – множество этих нитей, переплетённых, либо как-то сложно соединенных.

Б.Д.: И в рамках каждой нити имеется закономерное сочетание.

А.Б.: Да. Вот это то, что пока мы делаем, а следующий этап – уже каким-то образом их связывать так, чтобы… Ну, например, чтобы были последовательно связаны между собой цепочки трёх разных цветов. То, что мы сейчас делаем, – это так называемые со-полимеры.

А.К.: Я представил себе чиновника, о котором Алексей упоминал в прошлой программе. Вот сидит он перед приёмником: «Нет, этим людям, конечно, ни копейки не дам. Гады, бусы они делают разноцветные!»

А.Б.: [смеётся] Нет, это же аналогия. Конечно, это всё намного сложнее. Чтобы синтезировать каждый такой мономер – это бывает девятистадийный сложный синтез. Зачем это нужно? Чтобы скомбинировать в одном материале разные свойства. Это имеет, прежде всего, научный интерес: попытаться разобраться, попытаться научиться управлять оптическими свойствами, но и практический интерес тоже – такие материалы в принципе могут быть использованы для разных целей.

Б.Д.: Это перекликается с тем, о чём мы говорили здесь в своё время с Артёмом Огановым, который тоже занимается проектированием свойств материалов, но материалов немножко других, и проектированием с помощью информационных технологий.

А.Б.: Ну, это просто разные подходы.

Д.И.: А можно про вас сказать, что вы тоже занимаетесь своеобразными информационными технологиями?

А.Б.: Кстати, когда была история с Кремниевой долиной, меня пригласили поучаствовать, меня назначили аж модератором направления как раз информационной технологии. Насколько я представляю, в современном понимании информационная технология – это широкая вещь.

Д.И.: Эта конференция вокруг Сколково?

А.Б.: Встреча с Сурковым была, и Сурков долго рассказывал, зачем всё это нужно, насколько это хорошая идея.

Д.И.: По-научному рассказывал?

А.Б.: По-простому рассказывал. Но ничего, кроме пессимизма, все эти разговоры не порождают, к сожалению.

Д.И.: Почему?

А.Б.: У нас не существует какого-то базиса для того, чтобы этот проект был успешным.

А.К.: Надо же с чего-то начинать – если все так будут рассуждать, то давайте ничего не делать.

А.Б.: Мне кажется, основная проблема в том, что опять-таки мы вернулись к проблемам науки и от жидких кристаллов перешли к деньгам.

Б.Д.: А представим себе, что там в Сколково будет возможно создать какое-то инновационное производство.

Д.И.: Ну, почему производство, хотя бы предприятие, которое будут внедрять созданные технологии.

А.Б.: Это было бы прекрасно.

Б.Д.: Так можно это сделать? Что для этого нужно?

А.Б.: Мне кажется, что проблема начинается с того, что в России беда с фундаментальной наукой. Нужны решительные шаги по изменению ситуации именно с фундаментальной наукой, а пока все разговоры идут именно о технологиях. А технологии могут взяться только из науки.

А.К.: Но вы же сами нарисовали модель, когда на определённом этапе технологии становятся заказчиками науки.

А.Б.: На определённом этапе – да.

А.К.: Понятно, просто мне кажется, что в нынешних условиях это тот самый момент, когда любое решение лучше нерешительности или отсутствия решений.

А.Б.: Мне кажется, что куда важнее разобраться, создать грантовую систему, нежели строить какой-то очередной пункт.

А.К.: А есть гипотеза, что грантовая система тоже уже, так сказать, 2D. Ребята, весь мир живёт по 2D, давайте сразу не 2D рисовать, а 3D. Есть такая гипотеза, и она в этой студии тоже излагалась.

Б.Д.: Ситуация, когда технологии тянут за собой науку? – тоже не то, чтобы уж безумно новая история.

А.Б.: На примере жидких кристаллов это было прекрасно продемонстрировано в конце 60-х годов. Получается, что проблема в следующем. Чаще всего, когда говорят о поддержке науки, поддерживают всё-таки технологию. Почему-то считается, что учёный обязательно должен производить какой-то продукт, но это – заблуждение. Учёный никому ничего не должен производить такого вещественного, он должен генерировать знания, а знания уже вырастают в новые технологии. Разумеется, технологии могут являться и являются заказчиками научных исследований. Но происходит такой дисбаланс: все думают о технологиях, о конкретной прибыли, но забывают о том, что в стране должна при этом существовать наука.

Б.Д.: Да, но вы в своей лаборатории, насколько я помню, занимаетесь и какими-то вполне практическими проектами. Кто служат заказчиками? Какие исследования проводите?

А.Б.: Да, есть такое. Самый последний пример – это завод «Криптен». Там производят специальное покрытие для защиты ценных бумаг. Наши жидкокристаллические полимеры могут быть использованы: какие-то конкретные, обладающие флуоресцентными свойствами, сочетающие способность к формированию жидкокристаллического порядка с флуоресцентными свойствами. Это может быть использовано в качестве продвинутых специальных покрытий, чтобы можно было защитить от подделки либо ценный документ, либо упаковку от лекарства.

Б.Д.: За счёт того, что при специальном видеооблучении будет что-то проявляться?

А.Б.: Да, при использовании ультрафиолетовой лампы и специального оптического фильтра будет проявляться или исчезать изображение.

Б.Д.: А ещё какие-то заказы? Вы, кажется, с какими-то западными фирмами сотрудничаете.

А.Б.: Да, у нас неоднократно были работы с Тайваньским институтом прикладных исследований, с фирмой «Самсунг». Сейчас намечается проект с фирмой «LG». Основной результат этого сотрудничества понятен – это дополнительное финансирование нашей лаборатории. Но вещественных таких результатов, когда что-то шло в производство, не было, конечно. Тем не менее, обмен знаниями, какой-то интеллектуальный выход из этих проектов был, конечно.

Б.Д.: Хорошо, не дошло до производства, но всё-таки, что выяснилось? Что они полезного для себя извлекли из сотрудничества? Какие-то новые свойства? Что?

А.Б.: Новая информация, новые знания о свойствах полимеров, о возможности или невозможности их использования для разных оптических фильтров, для дисплеев.

А.К.: Мы, кстати сказать, ушли от темы жидких кристаллов. Давайте в третьей части нашей беседы всё-таки вернёмся к ней и пофантазируем на тему…

Д.И.: Что будет?

А.К.: Что будет? Как мы их используем в будущем? И пусть Дима задаст свой коронный вопрос.

Д.И.: Я его переформулирую только, зачем же задавать один и тот же вопрос. Есть ли перспективы каких-то фундаментальных, принципиальных открытий в вашей области? Есть ли какой-то «ящик Пандоры», который должен открыться? Видите ли вы его?

А.Б.: Я думаю, есть. Несмотря на то, что массовый интерес к жидким кристаллам немного иссяк, основные возможности применения реализованы, тем не менее, я думаю, почти в каждой области науки есть некая вероятность каких-то резких прорывов, причем предугадать их крайне сложно. Может быть, не будет никакого прорыва, интересных каких-то открытий, а может быть, они совершатся. Прогнозировать это нельзя. Сама история открытия, изучения и развития науки о жидких кристаллах указывает на то, что все это возникло достаточно неожиданно и случайно. Какое-то конкретное вещество вдруг показало жидкокристаллические свойства, а потом было обнаружено много соединений, которые могут давать жидкокристаллические свойства. До начала технологического использования их исследовали, разумеется, но количество научных групп, которое ими занималось, было небольшим, а потом, когда поняли, что это можно использовать очень широко, возник уже коммерческий интерес.

Д.И.: Просто есть два типа открытий – в разных дисциплинах. Один тип – географическое открытие. Когда мы не знали, что в этом месте есть остров, или там материя, или что-то ещё: животное новое, новый материал, а потом узнаём. А другой – когда мы видим поставленную проблему и понимаем, что она со временем будет решена, и за ней есть некоторые дополнительные возможности. Есть ли такая проблема в жидких кристаллах?

А.Б.: Есть ещё такие проблемы. И не одна.

Б.Д.: Одну вы уже обозначили: это связь между структурой и свойством. А ещё?

А.Б.:. Сейчас всё еще существует интерес к жидким кристаллам с точки зрения дисплейных технологий. Есть так называемые смектические жидкие кристаллы, ферроэлектрические. И вот сейчас обнаружили, что там существует проблема так называемого механического шока. Если на обычный дисплей нажать, деформировать, то картинка восстановится, а вот с этими смектическими жидкими кристаллами проблема в том, что при деформации возникающее искажение не исчезнет.

А.К.: Можно пальцами рисовать по дисплею.

А.Б.: [улыбается] Наверное, да, но это не интересно.

А.К.: Кому как.

Б.Д.: То есть для разных целей может быть хорошо восстановление, а для других – сохранение деформации.

А.Б.: Да. В реальности это сохранение приводит к тому, что там очень некрасивые дефекты возникают и очень медленно рассасываются. Сейчас речь идет о том, чтобы создать такие дисплеи на основе вот этих смектических жидких кристаллов, которые были бы лишены такого недостатка.

Б.Д.: А в чём специфика этих смектических жидких кристаллов?

А.Б.: Они хороши тем, что там намного меньшие электрические поля, необходимые для переключения оптической картинки.

Б.Д.: То есть они более чувствительны.

А.Б.: Да, и намного более высокие скорости изменения по сравнению с тем, что имеется сейчас. Конечно, для каких-то целей это могло бы быть полезным. Так что такой ещё интерес есть. И есть интерес ещё с точки зрения не дисплейных каких-то применений.

Б.Д.: А какие ещё не дисплейные, кроме защиты, скажем, документов?

А.Б.: В оптоэлектронике – различного вида оптические переключатели. Может быть, жидкокристаллические полимеры найдут какое-то применение для записи-хранения оптической информации в качестве какой-то альтернативы дискам. Может быть, но заранее сложно сказать.

Д.И.: Они будут более ёмкими?

А.Б.: Да, может быть. Конечно, там сейчас уже дошли до предела, когда всё лимитируется длиной волны света, используемой для записи – там писали красным лучом, теперь научились писать синим лучом. Длина волны света меньше, поэтому можно больше записать. Но существует возможность, например, трёхмерной записи – это сложный двухфотонный процесс. Представьте себе такой кубик из полимеров, в котором трёхмерно записана какая-то информация. Такое может быть, и не исключено даже, что это когда-то получит реальное применение.

А.К.: Алексей, а вот если бы не барабаны, уехали бы? Я всё об этом думаю.

А.Б.: Да нет, ну, очень много разных причин моего неотъезда, не только барабаны. Так сложилось, и я на этот счёт особо не переживаю. Наукой у нас можно заниматься, пока ещё можно. К сожалению, тенденции в основном негативные, и не исключено, что скоро исчезнет такая возможность. Тем не менее, пока ещё можно, и хочется верить, что всё-таки разум победит, появятся какие-то формы поддержки учёных.

А.К.: Разум, он говорит всем без исключения, что науку надо поддерживать и поднимать. Другое дело, что он натыкается на необходимость придумать некую схему функционирования такой поддержки. Вот в этом проблема. Разум, он очень «за».

Д.И.: Абстрактный разум. Конкретные люди по-разному, а абстрактный разум, он – «за».

Б.Д.: Мне кажется, имело бы смысл Димин вопрос задать уже в окончательном виде. Он обычно звучит так: за что вы собираетесь получить Нобелевскую премию?

А.К.: Фантазия никакими рамками, даже жидкокристаллическими не ограничена. Давайте пофантазируем.

А.Б.: У меня ответ простой. Я никогда не думаю ни о каких наградах.

Д.И.: Дело уже не в награде, а в том, где может быть то ваше открытие, и может ли оно быть?

Б.Д.: Что вам кажется наиболее прорывным из того, чем вы наметили заняться в науке?

А.К.: Награда – не проблема. Нам отдадите, в конце концов, а вот за что – скажите.

А.Б.: [улыбается] Я могу рассказать о своих конкретных планах. Неспециалисту это сложно, наверное, понять, но постараюсь. Это изучение тонких плёнок смесей различных полимеров-композитов. Полимер-полимерных композитов. Дело в том, что при таком смешении возникает очень развитая граница раздела фаз с большой площадью, и эта граница, эти вот граничные эффекты могут оказывать существенное влияние на свойство таких плёнок. Я надеюсь, удастся с таким сочетанием методов атомно-силовой микроскопии, конфокальной флуоресцентной микроскопии и традиционной оптической микроскопии исследовать такие плёнки.

А.К.: То есть мы даже пропить не сможем эту Нобелевку, потому что всё время будут свербить в голове вот эти непонятные словосочетания.

А.Б.: Я думаю, очень хорошо, что сейчас развиваются разные физические методы исследования, которые можно использовать. Даже у нас что-то есть с точки зрения приборов, которые позволят это изучить. Я, конечно, продолжу синтез разных новых, как я говорил, функциональных мономеров с целью их сочетания в одной макромолекуле и получения плёнок с разными свойствами. К счастью, в науке очень много непредсказуемого. Вот мы заранее планируем какие-то свойства, а получается что-то неожиданное. Я больше всего ценю, когда система ведёт себя не так, как мы ожидали, – это новый вопрос.

Б.Д.: Вот, а говорили о рациональности. Понятно, что здесь та же, что и в музыке у вас, доля спонтанности.

А.Б.: А объяснение этого эффекта приходит с рациональной стороны, конечно.

А.К.: Алексей, скажите, совсем уж завершая разговор. Несмотря на то, что даже если есть очаги, то они угасающие, но тем не менее. Где в России, скажем, очаг химической активности? Это Москва? И вообще, научное все сосредоточено в Москве?

Д.И.: Много ли в Москве химиков, и где они живут?

А.Б.: Как-то мне попадались данные по публикациям: по количеству публикаций и количеству цитированных. Конечно, Москва лидирует в этом плане. Есть еще в Петербурге научные группы, есть в Новосибирске. Коллеги, которые занимаются жидкими кристаллами или жидкокристаллическими полимерами, есть в Москве, в Петербурге и в Новосибирске.

Б.Д.: А в каких центрах?

А.Б.: По-моему, Новосибирский государственный университет, а в Петербурге…

Б.Д.: Москва – МГУ соответственно.

А.Б.: Ну, да. Та же статистика показывает, что у химического факультета МГУ очень много публикаций, причём и в международных журналах тоже. В Петербурге есть Институт высокомолекулярных соединений Академии наук. Целый институт, который занимается полимерами, в том числе жидкокристаллическими. Но, к сожалению, активность всё время падает – люди уезжают, и количество публикаций не растёт, а снижается.

А.К.: В принципе, вся наука российская – это три города, упомянутых вами: Москва, Питер, Новосибирск. Так?

А.Б.: Наверное, так.

Б.Д.: В вашей сфере.

А.К.: Да в любой сфере.

Б.Д.: Нет, есть сферы, где есть живая наука где-нибудь в Томске или в Казани.

Д.И.: На самом деле, императорские университеты все более или менее живы до сих пор, плюс ещё пара научных центров.

А.К.: Ну как? Неожиданный вывод.

Д.И.: Нет, так и есть.

А.Б.: В Казани, например, очень большая традиция органической химии, например. Но я не знаю, какая ситуация сейчас. Не думаю, что хорошая.

Д.И.: Но что-то должно оставаться?

А.Б.: Что-то должно остаться.

А.К.: Прощаемся. Спасибо вам большое, Алексей Юрьевич. И за понятные, и даже за непонятные слова. Будем думать. Для этого будет направление и будет повод. Алексей Юрьевич Бобровский гостил в программе «Наука 2.0». Доцент кафедры высокомолекулярных соединений МГУ, старший научный сотрудник, доктор химических наук, лауреат премии президента Российской Федерации в области науки и инновации для молодых учёных за 2009 год. Вели программу Борис Долгин, Дмитрий Ицкович, Анатолий Кузичев. До свидания!

Все: до свидания!

Беседу с Алексеем Бобровским слушайте в аудиофайле.
 

Источник: www.vesti.ru

Термотропные:

Нематические ЖК

Одна из ниболее распространенных ЖК-фаз – нематическая (от греческого nema – нить). Обычно органические молекулы, образующие нематические фазы, имеют вытянутую, похожую на стержень, форму. Они не образовывают кристаллической решетки даже на ближних порядках, но выстраиваются в ряд по примерно одному направлению. В результате молекулы имеют возможность скользить относительно друг друга. Они так же текучи, как обычные жидкости, но могут легко изменять направление своей ориентации под воздействием внешнего магнитного или электрического поля. Это дает им оптические свойства аналогичные одноосным кристаллам, что делает их очень удобными при изготовлении ЖК-экранов.

Смектические ЖК

Смектические фазы, обычно существующие при более низких температурах, чем нематические, образуют слои, которые могут скользить относительно друг друга наподобие мыла (отсюда название от латинского слова smecticus, обозначающего «имеющий свойства, похоже на свойства мыла»). Внутри слоев молекулы ведут себя как жидкости.

На заглавном рисунке изображен переход смектической фазы жидких кристаллов в нематическую.

Холестерические ЖК

Эта фаза, которую также можно назвать хиральной нематической, может быть образована только молекулами со свойством хиральности (зеркальной симметрии). В этой фазе образуется спиральное закручивание в ориентации молекул, которые располагаются перпендикулярно основной оси спирали. Холестерическими такие кристаллы называются из-за того, что подобные структуры чаще всего образуются производными холестерина.

В недавнее время были также открыты так называемые колончатые фазы, которые часто образуются дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л.Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром.

Лиотропные:

Лиотропные ЖК представляют собой смеси как минимум двух веществ – амфифильной фазы и растворителя. Растворитель заполняет боьлшую часть пространства, обеспечивая веществу текучесть. А амфифильные вещества, одна часть которых растворяется в растворителе, а вторая – нет. Поэтому они объединяются в группы молекул – мицеллы, в которых части, не взаимодействующие с растворителем, группируются внутри, а взаимодействующие – снаружи, таким образом обеспечивая разделение несмешивающихся компонентов. Самым распространенным примеров лиотропного ЖК является обычное мыло.

Концентрация и состав растворителя напрямую воздействуют на образование и структуру мицелл. В результате концентрация растворителя, дествующая как еще одна степень свободы системы, позволяет лиотропным кристаллам образовывать много новых форм, недоступных для обычных термотропных кристаллов. При увеличении концентрации амфифила мицеллы могут выстраиваться в структуры, подобные кристаллическим решеткам, образуя более кристалло-подобные материалы.

Металлотропные:

Также жидкокристаллические фазы могут образовываться на основе легкоплавких неорганических веществ, таких как хлорид цинка, которые могут легко стекловаться. Добавление к таким структурам длинных мылоподобных молекул ведет к образованию ряда новых фаз с ЖК-свойствами, образующимися как в зависимости от концентрации неорганической фазы, так и от температуры.

Жидкие кристаллы в живой природе

Лиотропные жидкие кристаллы широко распространены в живой природе, из-за чего они привлекают внимание таких научных дисциплин, как биомиметическая химия. Например, биологические мембраны и клеточные мембраны – это вид жидких кристаллов. Они достаточно прочны, чтобы удерживать свои молекулы вместе и создавать защитный барьер для клетки, но в то же время достаточно подвижны для обеспечения циркуляции питательных веществ через канальцы и взаимодействие с окружающей средой с помощью специальных белков, встроенных в мембрану.

Источник: polymus.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.