Жидкие кристаллы представляют собой особое состояние вещества, занимающее промежуточное положение между твёрдой кристаллической фазой и изотропной жидкостью. Их молекулы сохраняют частичный порядок, характерный для кристаллов, но обладают подвижностью, присущей жидкостям. Такое сочетание свойств обусловлено особенностями межмолекулярных взаимодействий и формой молекул, которые обычно имеют вытянутую или дискообразную структуру.
В жидкокристаллическом состоянии сохраняется дальний или ближний порядок ориентации молекул, что проявляется в анизотропии оптических, электрических и механических свойств. В отличие от обычных жидкостей, где ориентация молекул хаотична, в жидких кристаллах они выстраиваются в определённом направлении, образуя упорядоченные ансамбли.
Основные типы упорядоченности:
Такое разнообразие связано с балансом между силами ван-дер-ваальсового взаимодействия, дипольными моментами и стерическими эффектами.
Жидкокристаллические свойства проявляют вещества, чьи молекулы обладают жёстким анизометрическим ядром и гибкими боковыми заместителями. Продолговатая или дисковидная форма способствует ориентации в одном направлении. Сочетание жёстких и гибких фрагментов обеспечивает устойчивость упорядоченных фаз в определённых температурных интервалах.
Молекулы с полярными группами демонстрируют высокую чувствительность к электрическим полям, что используется в практических приложениях.
Жидкие кристаллы обладают выраженной анизотропией:
Такая совокупность свойств объясняется сохранением ориентационного порядка при подвижности молекул.
По природе образования фаз различают два основных класса:
Жидкие кристаллы демонстрируют характерные фазовые переходы, отличающиеся от кристаллов и обычных жидкостей. Переход между фазами сопровождается изменением симметрии и порядка. Например, переход «нематик – изотропная жидкость» называется клиринговым переходом и характеризуется исчезновением анизотропии.
Фазовые диаграммы жидких кристаллов зависят от температуры, давления и состава системы, что делает их особенно интересными объектами исследования физической химии.
Жидкокристаллическое состояние характерно для многих биологических систем. Липидные мембраны клеток существуют как лиотропные жидкие кристаллы, обеспечивая необходимую подвижность и селективность. ДНК и белковые комплексы также проявляют свойства мезофаз, что играет важную роль в организации живых систем.
Использование жидких кристаллов основано на их способности изменять ориентацию под действием электрических и магнитных полей. Это свойство положено в основу работы жидкокристаллических дисплеев, сенсоров, термоиндикаторов.
В оптоэлектронике жидкие кристаллы применяются для создания управляемых световых фильтров и модуляторов. В фармацевтике и нанотехнологиях они используются как матрицы для доставки лекарственных препаратов и носители наночастиц.
Свойства жидких кристаллов напрямую связаны с характером химических связей внутри молекул. Ковалентные связи формируют жёсткое ядро, обеспечивающее анизотропию, в то время как слабые межмолекулярные взаимодействия (водородные связи, диполь-дипольные силы, π–π-взаимодействия) определяют устойчивость и структуру фаз. Баланс этих взаимодействий задаёт диапазон существования мезофаз и их чувствительность к внешним воздействиям.