ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Свойства жидких кристаллов

Спонтанная поляризация.

Температура, при которой исчезает спонтанная поляризация (то есть собственный дипольный момент) и происходит перестройка кристаллической структуры, носит название температуры (точки) Кюри (ещё одна аналогия с ферромагнетиками). Переход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик) и неполярная (параэлектрик^[2] — нелинейный диэлектрик, не обладающий спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическая проницаемость которого уменьшается с ростом температуры).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках в точке Кюри меняется либо непрерывно (переход второго рода, сегнетова соль), либо скачком (переход первого рода, титанат бария). Другие характеристики сегнетоэлектриков, такие как относительная диэлектрическая проницаемость, могут достигать в точке Кюри очень больших значений (10⁴ и выше).

Вблизи точки Кюри в неполярной фазе выполняется закон Кюри — Вейсса, связывающий поляризуемость α и температуру T сегнетоэлектрика^[3]:

где и — константы, определяемые видом сегнетоэлектрика. Величина носит название температуры Кюри — Вейсса и очень близка к значению температуры Кюри. Если точек Кюри две, то вблизи каждой из них в неполярной фазе выполняется тот же закон. Вблизи верхней — в прежней форме, а вблизи нижней — в форме^[3]:

Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поляЕ в ВЧ диэлектрике.

Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поляЕ в параэлектрике

Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поляЕ в сегнетоэлектрике.

Жидкие кристаллы.

Жидкие кристаллы представляют собой системы, в которых уникальным образом сочетаются свойства жидкостей (текучесть) и кристаллов (анизотропия). Эти жидкости сохраняют ориентацию молекул и являются анизотропными по своим оптическим свойствам. В то же время они чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям. В частности, очень слабые электрические и магнитные поля способны изменить ориентацию системы и её оптические свойства. То же можно сказать и о реакции жидких кристаллов на малые изменения температурного поля. Электрооптические эффекты используются в ставших широко известными системах отображения информации. Термооптические эффекты широко используются в медицине и при производстве микросхем для определения локальных областей с повышенной температурой.

Немного истории.

Впервые образование новой, необычной фазы было замечено австрийским ботаником Ф. Рейнитцером в 1888, изучавшим роль холестерина в растениях. Нагревая синтезированное им твердое вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре ≈1450С кристаллы плавятся и образуют мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, ныне называемую жидким кристаллом, которая при дальнейшем нагревании ≈1790С становится совершенно прозрачной, то есть у этого соединения имеются две точки плавления, три различные фазы: твердая, жидкокристалическая и жидкая. Интервал этого перехода достаточно велик и составляет 34°С. Рейнитцер отметил также, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла – от красного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении.

Вскоре Леман провел систематическое исследование органических соединений и нашел, что они по своим свойствам похожи на холестерилбензоат. Каждое из соединений вело себя как жидкость по своим механическим свойствам и как кристаллическое твердое тело – по оптическим свойствам. Леман показал, что мутная промежуточная фаза – это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» – Flussige Kristalle. Затем Ж. Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти соединения мезоморфными (греч. «мезос» — промежуточный, средний) и разделил их на три класса. Соединения, имеющие свойства, схожие с мылами он назвал смектическими, далее шли нематические (греч. «нема» – нить) структуры, схожие со смектиками по своим оптическим свойствам, а затем – холестерические системы, поскольку к ним относилось большое число производных холестерина. Каждая мезофаза существует в определенном температурном интервале. У разных веществ этот интервал различен. В настоящее время известны соединения, имеющие жидкокристаллическую фазу в интервале от отрицательных температур до 300-4000С. Структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твердокристаллическая фаза — смектическая — нематическая — аморфно-жидкая. Термотропные жидкие кристаллы можно получить также в результате охлаждения изотропной жидкости. Эти переходы являются фазовыми переходами первого рода (с выделением теплоты фазового перехода). Теплота перехода жидкого кристалла в аморфную жидкость в десятки раз меньше теплоты плавления органических твердых кристаллов.

Смектические жидкие кристаллы (смектики S).

Они имеют слоистую структуру, с несколькими вариантами расположения молекул в слоях. Слои могут без помех скользить друг по другу. В наиболее распространенной упаковке продольные оси молекул направлены приблизительно под прямым углом к плоскости слоя. Каждая молекула может двигаться в двух измерениях, оставаясь в слое, и вращаться вокруг своей продольной оси. Расстояние между молекулами слоя может быть либо постоянным, либо беспорядочно меняющимся. Слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул, Кроме того, возможно упорядоченное и неупорядоченное расположение молекул в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования различных полиморфных модификаций. Известно свыше десятка полиморфных смектических модификаций, обозначаемых буквами латинского алфавита: смектики А, В, С и т. д. (или SА, SВ, SC и т. д.).Типичным смектиком является терефтал-бис(nара-бутиланилин)

Нематические жидкие кристаллы (нематики N)

В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, В нематических жидких кристаллах молекулы расположены параллельно или почти параллельно друг другу. Они могут двигаться во всех направлениях и вращаться вокруг своих продольных осей, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Их можно уподобить карандашам в коробке: карандаши могут вращаться и скользить вперед и назад, но должны оставаться параллельными друг другу. 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.

Рисунок 1 - Расположение молекул ЖК

Холестерические жидкие кристаллы (холестерики Сhоl)

Образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. В этих жидких кристаллах молекулы упакованы в параллельных слоях так, что продольные оси всех молекул лежат в плоскости слоя. При этом «архитектура» молекулярной упаковки такова, что продольные оси молекул одного слоя повернуты на небольшой угол относительно молекул соседнего слоя. Это угловое смещение постепенно нарастает от слоя к слою как бы по спирали, один виток которой соответствует толщине около 0,5 мкм. Спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски жидкого кристалла.

Холестерики образуется двумя группами соединений: производными оптически активных стероидов, главным образом холестерина (отсюда и название), и нестероидными соединениями, принадлежащими к тем же классам соединений, которые образуют нематические жидкие кристаллы, но обладающими хиральностью (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной кислоты, азо- и азоксисоединений и др.).В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат.

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

Свойства жидких кристаллов

Строение холестерика.

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° С, 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.