Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

То, чего не может быть

Бывают ли жидкие кристаллы? Для тех, кто вдумывается в смысл слов, ответ не так очевиден. Так как же ответить?

Попробуйте задать этот вопрос папе. Скорее всего, он незамедлительно и уверенно ответит: «Конечно же нет!» А потом, после короткого замешательства, столь же уверенно скажет: «Конечно, бывают! Вот же они!» — и покажет на дисплей своего компьютера или вашего мобильного телефона.

Папино замешательство легко объяснимо. Ведь кристалл — это что-то твёрдое, с упорядоченной структурой, где каждый атом или молекула сидят на своих местах, как привязанные. А жидкость — это текучий хаос, её молекулы не удерживаются на своих местах, а всё время бегают. Можно, конечно, кристалл нагреть и расплавить, чтобы он превратился в жидкость. Но либо одно, либо другое. Жидкий кристалл — это то, чего не может быть.

А между тем они есть. Впервые их обнаружил в далеком 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, изучавший свойства холестерина. Наверняка, бабушка и дедушка поминали его — холестерин, конечно, — недобрым словом. А может быть, и мама с папой. Дело в том, что это вещество, содержащееся, например, в жирной пище, осаждается на стенках наших кровеносных сосудов и закупоривает их. Когда такое случается, люди начинают задыхаться и хвататься за сердце. Поэтому мама, заботясь о здоровье всей вашей семьи, старается покупать продукты, в которых мало холестерина.

Однако холестерин необходим всем живым организмам, потому что именно он делает стенки клеток прочными. Это и побудило Рейнитцера заняться его изучением. К удивлению для себя, он обнаружил, что у холестерина есть как бы две точки плавления и соответственно два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Именно это «мутное» состояние, промежуточное между кристаллом и жидкостью, впоследствии назвали жидкокристаллическим. А сегодня известны уже десятки тысяч природных и синтезированных химиками веществ, проявляющих такие свойства.

Вот так загадочно и красиво выглядят жидкие кристаллы в поляризованном свете, если их рассматривать в микроскоп. Ещё раз повторю: они — жидкие

Что у всех у них общего? Форма молекул, которая бывает сильно вытянутой или похожей на диск. Первые напоминают карандаши с квадратным сечением, а вторые — монеты. Давайте сделаем мысленный эксперимент: возьмём коробку такого размера, чтобы карандаши или монеты легли в неё максимально плотно. Понятно, что карандаши в таком случае лягут ровными рядами, а монеты — колоннами. Если мы потрясём коробку, то ни один карандаш, ни одна монета не сдвинутся со своих мест. По сути, мы получили модель твёрдого кристалла.

А теперь давайте мысленно немного раздвинем стенки коробки. Это похоже на нагревание вещества, при котором оно расширяется. Если мы теперь потрясём коробку, то прежний идеальный порядок нарушится. Карандаши начнут скользить туда-сюда и вдобавок вращаться вокруг собственной оси. То же и с монетами, столбики которых мгновенно рассыплются. Они заполнят свободный объём коробки и будут течь, повинуясь нашим движениям, то есть будут вести себя подобно жидкости. Но при этом они сохранят и определенный порядок: карандаши лягут строго в одном направлении, а монеты переместятся строго в своей плоскости. Наш мысленный эксперимент весьма точно отражает то, что происходит в настоящих жидких кристаллах.

Чем же они так интересны? Дело в том, что взаимное расположение молекул этих веществ в пространстве сильно зависит от внешних условий, например от температуры. В свою очередь, от «упаковки» этих молекул зависит цвет вещества. Зависимость эта настолько сильная, что позволяет на глаз определить изменение температуры на десятые доли градуса. Где это можно использовать? Правильно, в термометрах. В 1963 году американец Дж. Фергюсон получил патент на обнаружение тепловых полей с помощью жидких кристаллов.

Но у жидких кристаллов есть и более важное и широкое применение. Оказалось, что цвет тонкой плёнки жидкого кристалла можно изменять при помощи электрического поля. Именно так на дисплеях наших мобильных телефонов и компьютеров, на плоских экранах телевизоров и табло в аэропортах, на панелях микроволновых печей и холодильников появляются цифры, буквы и картинки. А в 1968 году в США впервые был продемонстрирован принципиально новый индикатор: к разным частям тонкой жидкокристаллической плёнки прикладывали электрическое поле, и на ней возникало изображение букв, цифр, геометрических фигур, образованное прозрачными и непрозрачными участками плёнки.

Сегодня мы живём в окружении жидких кристаллов, сами того не замечая. А химики без устали синтезируют всё новые жидкие кристаллы, чтобы цвета были более насыщенными, а сами дисплеи служили дольше. Говорят, что каждое пятое новое органическое вещество, синтезированное химиками, обладает свойствами жидких кристаллов.

Полимеры, пластмассы, волокна, красители, лекарства, поверхностно-активные вещества, жидкие кристаллы... Из чего химики делают всё это? Понятно, что из веществ, но каких? Откуда их берут? Вот об этом мы сейчас и поговорим.