Zdzisława Nowakowska, Grzegorz Schroeder
Uniwersytet im. A. Mickiewicza, Wydział Chemii, Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań
Ciekłe kryształy (również zwane cieczami anizotropowymi lub mezofazą)
[1,2] są to fazy pośrednie między ciekłym i krystalicznym stanem skupienia materii, które charakteryzują się tak jak ciecze zdolnością do płynięcia, i jedno-cześnie wykazują daleko zasięgowe uporządkowanie tworzących ją cząsteczek, podobnie jak to ma miejsce w kryształach. Wykazują anizotropię własności fi-zycznych, co oznacza, że wielkości fizyczne mierzone w różnych kierunkach przyjmują różne wartości. Fragment podziału ciał fizycznych z usytuowaniem ciekłych kryształów przedstawiono na rysunku 1.
kryształ stały
smektyk nematyk cholesteryk ciecz
izotropowa ciekły kryształ
Rys.1. Fragment podziału ciał fizycznych.
Struktura przestrzenna cząsteczek ciekłego kryształu związanych niewiel-kimi siłami jest bardzo podatna na wpływ oddziaływań zewnętrznych w posta-ci temperatury, oświetlenia, naprężeń oraz pól elektrycznych i magnetycznych. Działanie pola elektrycznego, wywołując zmianę konfiguracji przestrzennej cząsteczek ciekłego kryształu powoduje zmianę właściwości przepuszczania światła. Po ustaniu działania pola oddziaływania powierzchniowe przywracają pierwotny układ przestrzenny cząsteczkom ciekłego kryształu. Zmiany tempe-raturowe powodują rozszerzenie cieplne, które prowadzą do zmiany odstępów i ułożenia między cząsteczkami termochromowej substancji ciekłokrystalicznej, co wywołuje zmianę obserwowanego koloru w zależności od wysokości tem-peratury. Fazę ciekłokrystaliczną sensu stricto mogą generować długie,
sztyw-Materiały supramolekularne
136
ne cząsteczki podobne do prętów lub sztywne i płaskie cząsteczki podobne do dysków, które oddziałują między sobą siłami typu van der Waalsa. Typowa cząsteczka mezogenu składa się z dwóch lub większej liczby pierścieni aroma-tycznych lub cykloalkanowych, połączonych mostkową grupą funkcyjną X [ np. –CH=CH-, -CH=N-, -N=N-, -CH=N-N=CH-] ograniczającą ich swobodę rotacji. Cząsteczki te muszą mieć grupy polarne zapewniające im odpowiednie ułożenie w stanie ciekłym zmierzające do pewnego uporządkowania molekuł. Oddziaływania typu van der Waalsa sprawiają, że molekuły ustawiają się rów-nolegle, ale pozwalają też na przesuwanie się molekuł względem siebie. Śred-ni kierunek uporządkowaŚred-nia molekuł ciekłokrystalicznych w danym obszarze określa bezwymiarowy wektor jednostkowy n zwany direktorem (wskaźnikiem kierunku).
Faza ciekłokrystaliczna może być generowana na trzy sposoby:
poprzez ogrzewanie stałych kryształów – jest nazywana wtedy
•
mezofa-zą termotropową. Kryształy, zamiast od razu topić się w zwykłą ciecz,
przechodzą w pewnej określonej temperaturze w stan mezofazy, a do-piero w wyższej temperaturze następuje izotropizacja mezofazy, czyli zamiana ciekłych kryształów w ciecz izotropową.
poprzez rozpuszczanie cząsteczek mających tendencję do tworzenia •
mezofazy w odpowiednim rozpuszczalniku polarnym – faza jest nazy-wana wtedy mezofazą liotropową.
poprzez zmiany ciśnienia –
• mezofaza barotropowa.
W zależności od stopnia orientacji molekuł w próbce mezofazy termo-tropowe dzieli się na
fazę nematyczną - oznaczaną symbolem
• N
fazę smektyczną, w której oprócz równoległego uporządkowania osi •
cząsteczek wzdłuż wersora, istnieje też dodatkowe uporządkowanie w warstwy - oznaczaną symbolem S
fazę kolumnową, którą generują zwykle cząsteczki dyskopodobne – •
tutaj oprócz równoległego uporządkowania osi cząsteczek, cząsteczki układają się jeszcze w kolumny. Fazy kolumnowe są oznaczane literą
D
fazę cholesterolową, w której uporządkowanie jest związane ze skrę-•
ceniem o określony kąt przy przechodzeniu między warstwami, czyli ich wersor nie jest linią prostą lecz układa się w kształt helisy. Faza cholesterolowa jest w istocie podtypem fazy nematycznej. Fazę cho-lesterolową nazywa się też często fazą nematyczną skręconą i oznacza symbolem N*
Pochodne chalkonu jako związki ciekłokrystaliczne
smektyk nematyk cholesteryk Faza nematyczna
(gr.
• nema-nić) to takie ułożenie cząsteczek ciekłego kryształu, że są
one zorientowane w tym samym kierunku, lecz ich środki ciężkości nie są uporządkowane. Cząsteczki mogą przemieszczać się we wszystkich trzech kierunkach i swobodnie obracać się wzdłuż długich osi. w fazie tej pręto- lub dyskopodobne cząsteczki mają zablokowaną moż-•
liwość zmieniania kąta ułożenia jednej ze swoich osi względem innych cząsteczek, co powoduje, że cząsteczki układają się samorzutnie osiami równolegle do siebie:
Dla nematycznych ciekłych kryształów rozróżnia się trzy podstawowe typy
tekstur:
Materiały supramolekularne
138
Nematyczne ciekłe kryształy są jednoosiowe i posiadają dwa współ-•
czynniki załamania światła no i ne. Współczynnik zwyczajny no jest ob-serwowany dla fali, której wektora pola elektrycznego drga w kierunku prostopadłym do osi optycznej ciekłego kryształu, czyli prostopadle do kierunku direktora, gdyż pokrywa się on z osią optyczną. Natomiast współczynnik nadzwyczajny ne występuje dla fali świetlnej liniowo spolaryzowanej, której drgania wektora pola elektrycznego odbywają się wzdłuż osi optycznej.
nematyczne ciekłe kryształy są bardziej przeźroczyste i mniej lepkie •
niż kryształy smetyczne. Często kryształy smetyczne przechodzą w ne-matyczne w miarę wzrostu temperatury.
Faza smektyczna
smektyki charakteryzują się największym stopniem uporządkowania. •
Molekuły są ułożone równolegle w warstwach, które mogą poruszać się względem siebie. W całym obszarze jest taki sam kierunek direktora, a środki ciężkości molekuł tworzą płaszczyzny. Smektyki cechują się dużą lepkością i sztywnością struktury.
Faza cholesteryczna
w strukturze
• cholesterycznej molekuły w poszczególnych warstwach
wykazują uporządkowanie w jednym kierunku, przy czym ich środki ciężkości rozmieszczone są chaotycznie. Direktory sąsiednich warstw są skręcone względem siebie o niewielki kąt, co nadaje strukturze cha-rakter spiralny (tzw. struktura helikoidalna).
Ciekłe kryształy o budowie cholesterycznej posiadają podobną budowę •
do kryształów nematycznych. W tym przypadku cząsteczki w kolej-nych warstwach są jednak zorientowane jedna względem drugiej. W ten sposób cząsteczki w poszczególnych płaszczyznach są obrócone wokół osi prostopadłych do ich środków i tworzą spiralę.
Całkowity obrót o 360º ma przeważnie miejsce, gdy osiągnięta zostanie •
odległość długości światła widzialnego. Z tego też powody substancje o budowie cholesterycznej posiadają zdolność odbijania światła o różnej długości fali (kolorze) w zależności od temperatury, ponieważ zmiana temperatury powoduje zmianę struktury spirali. Zmiana zabarwienia ciekłych kryształów cholesterycznych w wyniku temperatury znalazła praktyczne zastosowanie (sporządzanie map temperaturowych w me-dycynie). Również pole elektryczne może mieć wpływ na strukturę cie-kłego kryształu powodując zmiany zabarwienia odbitego światła lub zmiany przejrzystości kryształu. Zjawisko to zostało wykorzystane do
Pochodne chalkonu jako związki ciekłokrystaliczne
konstrukcji wyświetlaczy cyfrowych w kalkulatorach, zegarkach, apa-raturze naukowej.