Сонин А.С., Чурочкина Н.А., Казначеев А.В., Голованов А.В. Минеральные жидкие кристаллы

Содержание

Предисловие

Подавляющее большинство жидких кристаллов – это сложные органические соединения, молекулы которых имеют анизометрическую форму. Кроме этих термотропных жидких кристаллов, которые образуют мезофазы при плавлении, есть еще и небольшое семейство лиотропных органических жидких кристаллов, образующих мезофазы при растворении. Их образуют не молекулы, а конгломераты молекул (мицеллы).

За сто лет наука о жидких кристаллах и ее практические приложения сформировались окончательно – жидкие кристаллы стали исчисляться десятками тысяч, все или большинство физико-хими¬ческих эффектов были хорошо изучены, и в этой области стали проявляться элементы застоя.

И вдруг – минеральные жидкие кристаллы! Они вдохнули новую жизнь в жидкокристаллическую науку. Оказалось, что не только сложные органические соединения, но и простые частицы неорганических минеральных кристаллов нано- и микронных размеров способны образовывать разнообразные мезофазы. В середине 90-х годов их получением и изучением занимаются крупнейшие университеты и фирмы, литература, им посвященная, насчитывает многие сотни статей (см., например, обзоры [1–9]). Их стали называть по-разному: «минеральные жидкокристаллические полимеры», «коллоидные жидкие кристаллы на основе минеральных молекул», просто «коллоидные жидкие кристаллы», «минеральные жидкие кристаллы», «жидкие нанокристаллы», «неорганические лиотропные жидкие кристаллы». И хотя последнее название наиболее точно определяет этот тип жидких кристаллов, в западной научной литературе чаще всего их стали называть «минеральные жидкие кристаллы», и в какой-то степени это название стало общепринятым. Вот как аргументируют такую позицию французские физики Габриэль и Дэвидсон, активно работающие в этой области: «Что касается используемого термина «минеральные» для названия этого семейства жидких кристаллов, то можно утверждать, что термин «неорганические» был бы более уместен. Однако термин «неорганические» жидкие кристаллы долго использовался для металлоорганических жидких кристаллов. Мы считаем, что использование старого названия, соответствующего прилагательному «минеральные», более конкретно для названия этого подкласса неорганических жидких кристаллов, чем альтернативное «чисто неорганические» [5, c. 121]. Это позволяет избежать путаницы между этими различными химическими семействами, принимая во внимание, что большое количество этих жидких кристаллов находится в естественной природе.

Этот новый тренд обусловлен несколькими причинам. Во-пер¬вых, к нему привела логика развития физики и химии жидких кристаллов. Долгое время исследователи не обращали внимания на небольшое число двупреломляющих дисперсий неорганических соединений, считая их редким случаем коллоидных особенностей.

Во-вторых, этих минеральных жидких кристаллов оказалось очень много, и они обладают многими особенностями по сравнению с классическими органическими жидкими кристаллами.

В-третьих, «нанобум», потрясшей электронику, привел к тому, что дисперсии минеральных жидких кристаллов оказались необходимой средой для приготовления ориентированных наноматериалов. А тут еще выяснилось, что дисперсии нанотрубок и самого графена и его производных, обладают жидкокристаллическими свойствами.

В-четвертых, минеральные жидкие кристаллы существенно улуч¬шают оптические свойства органических нематиков и, более того, являются главными компонентами новых композиционных материалов на основе термотропных жидких кристаллов.

Все это привело к тому, что сегодня этот новый тренд в физике и химии жидких кристаллов занимает первое место в жидкокристаллической науке.

Минеральные жидкие кристаллы были открыты в результате исследований неорганических золей, которые проводились в рамках коллоидной химии на протяжении полувека (см. Исторический очерк). Это, прежде всего, водные дисперсии пятиокиси ванадия, гидроокиси железа и некоторых глин. В дисперсной фазе эти неорганические вещества представляют собой анизометрические частицы микронных размеров. При определенной концентрации они образуют упорядоченные жидкокристаллические структуры, на которые влияют электрические, магнитные поля и течение.

Настоящая работа посвящена анализу современного состояния этой области жидкокристаллической науки. Будут подробно рассмотрены способы получения, структуры и физические свойства наиболее важных минеральных жидких кристаллов. Поскольку классификация еще не сформировалась, мы решили пользоваться химической классификацией, располагая материал по химическим классам.

Эта книга возникла как естественный результат анализа литературы в процессе наших экспериментальных и теоретических исследований некоторых минеральных жидких кристаллов. Эти работы проводились в течение ряда лет в Лаборатории полимерных материалов Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН. Мы благодарим заведующего лабораторией академика А.Р. Хохлова за постоянное внимание и поддержку этих работ.

Цветные версии рисунков

Цветные версии рисунков

Об авторах

Сонин Анатолий Степанович

Заслуженный деятель науки России, доктор физико-математических наук, доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН. Область научных интересов — физика и физическая химия твердых и жидких кристаллов, в частности симметрия, пьезоэлектрические и упругие свойства. В области жидких кристаллов им получены интересные результаты при исследовании электрооптических свойств жидкокристаллических композитов, лиотропных органических и минеральных жидких кристаллов. Кроме того, А. С. Сонин занимается историей и популяризацией науки.

Чурочкина Наталия Алексеевна

Кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН. Научные интересы связаны с синтезом полимеров, а также композитных материалов из полимеров и жидких кристаллов, изучением их свойств и поведением в электрических и магнитных полях.

Казначеев Анатолий Викторович

Доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН. Научные интересы связаны с электро- и магнитооптикой, а также континуальной теорией термотропных и лиотропных жидких кристаллов. В последние годы активно занимается сегнетоэлектрическими жидкими кристаллами и композитными материалами на основе полимеров и жидких кристаллов.

Голованов Андрей Владиславович

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН. Область научных интересов: электро- и магнитооптика лиотропных жидких кристаллов и жидкокристаллических композитов, динамика лиотропных жидких кристаллов.