Một lần nữa về tinh thể lỏng

6

S. Pikin

Một lần nữa về tinh thể lỏng

Trong số tháng 8 của tạp chí, bài báo “Tinh thể lỏng” đã nói về một loại tinh thể lỏng - chất lỏng chuyên đề, các phân tử của chất lỏng đó là gì, cách chúng tương tác với nhau và các lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của các tinh thể lỏng này. Bây giờ chúng tôi muốn giới thiệu với các bạn hai loại tinh thể lỏng khác có vai trò cực kỳ quan trọng trong khoa học, công nghệ và đời sống. Chúng ta sẽ nói về tinh thể lỏng cholesteric và smectic.

Dịch mật

Cấu trúc của chất lỏng cholesteric (cholesteric) về nhiều mặt tương tự như chất lỏng chuyên dụng, nhưng có một điểm khác biệt đáng kể. Chúng ta có thể nói rằng cholesteric có trạng thái chuyên đề sau, nghĩa là nó bao gồm một chồng các lớp chuyên đề (Hình 1, a). Nhưng nếu các lớp song song với nhau được xoay theo một góc nhất định và đối với hai lớp liền kề thì góc này có giá trị nhỏ $\alpha \approx 0,5^\circ$. Khoảng cách giữa các lớp liền kề xấp xỉ bằng kích thước ngang của các phân tử $a$. Nếu chúng ta di chuyển dọc theo trục $Z$, vuông góc với mặt phẳng của các lớp (xem Hình 1, a), thì sau số lớp $N = \pi/a$, hướng của các phân tử sẽ giống như ở lớp đầu tiên (hướng $\vec{n}$ và $\vec{n}$ là tương đương về mặt vật lý). Khoảng cách $h = a \cdot 2\pi/a$, qua đó sự định hướng của các phân tử trong không gian được lặp lại, được biểu thị bằng chu kỳ gấp đôi của một mạng đặc biệt (Hình 1, b). Giá trị $h$ thường được gọi là cao độ của đường xoắn ốc, được hình thành trong không gian bởi các đầu của các phân tử nằm thành các lớp liên tiếp.

Hình 1. Tinh thể lỏng Cholesteric. a) chuỗi xoắn mật; b) Sự phản xạ có chọn lọc ánh sáng bởi cholesterol.

7

Mạng tuần hoàn được mô tả - nó được gọi là chuỗi xoắn cholesteric - đáng ngạc nhiên ở chỗ tính tuần hoàn rõ ràng trong nó chỉ liên quan đến sự định hướng của các phân tử. Đồng thời, trong mỗi lớp sơ đồ, các phân tử có thể di chuyển tự do và thay đổi vị trí; Nói một cách dễ hiểu, chất lỏng cholesteric chảy tự do dọc theo các mặt phẳng như vậy, nhưng hình xoắn ốc hầu như không bị xáo trộn. Các phân tử có thể nhảy từ lớp này sang lớp khác, quay một góc α, nhưng điều này không dễ dàng đối với chúng. Tất cả điều này quyết định các tính chất đặc biệt của chất lỏng cholesteric, tương tự như tính chất của tinh thể rắn. Đặc điểm cấu trúc của chất lỏng cholesteric thể hiện rõ nhất khi nhiệt độ của chất thay đổi và dưới các tác động khác nhau từ bên ngoài. Hình xoắn ốc cholesteric có đặc tính quang học sáng; nó cảm nhận được sự hư hại nhỏ nhất đối với mặt bàn của mạng chảy tự do. Tất cả điều này đã khơi dậy sự quan tâm to lớn đến việc nghiên cứu và ứng dụng tinh thể lỏng cholesteric. Tuy nhiên, trước khi nói về việc sử dụng tinh thể lỏng cholesteric, chúng ta hãy tìm hiểu nguyên nhân gây ra cấu trúc cholesteric này.

Ngày nay chúng ta biết rằng lời giải thích nằm ở cấu trúc đặc biệt của các phân tử tạo nên những chất này. các phân tử cholesteric gần giống như trong chất lỏng nematic, nhưng có một phần mở rộng nhỏ ở cuối (Hình 2, a). Phần phụ này thường được hình thành bởi một vài nguyên tử nhô ra khỏi mặt phẳng chính chứa phần lớn các nguyên tử của phân tử. Tính đối xứng của các phân tử bị phá vỡ do quá trình này và giống với tính đối xứng của bàn tay, như đã biết, chỉ có thể ở bên phải hoặc chỉ bên trái.

Hình dạng phân tử này ảnh hưởng như thế nào đến trật tự định hướng của chất lỏng? Các phân tử tương tự có thể được sắp xếp song song với nhau trong một mặt phẳng nhất định, chẳng hạn như trong mặt phẳng mà các phân tử nằm trong đó. Chính những mặt phẳng này đã hình thành nên những con voi cholesteric riêng lẻ (Hình 2, b). Làm thế nào những con voi này có thể “gắn bó” với nhau? Rõ ràng là các phân tử của lớp 2 có thể song song với các phân tử của lớp 1 (chúng ta đang nói về các phần phẳng, chính của phân tử), nếu các lớp nằm cách nhau một khoảng xấp xỉ bằng chiều cao của các quá trình. Trong trường hợp này, các quá trình không ngăn cản các phân tử ở trạng thái song song. Nếu khoảng cách giữa các lớp nhỏ hơn chiều cao của các tiến trình, thì các vectơ $\vec{n}_1$ và $\vec{n}_2$ không thể song song hoàn toàn - ít tiến trình hơn. Do đó, giữa vectơ $\vec{n}_1$ và $\vec{n}_2$ có một góc α nhỏ.

Do đó, chúng ta đi đến kết luận rằng các phân tử bất đối xứng sẽ tạo thành một chồng các từ chuyên đề và từ lớp này sang lớp khác, các phân tử sẽ quay theo một góc α nhất định. Vza-

Hình 2. Phân tử cholesteron. a) cấu trúc nguyên tử; b) hướng trong các lớp liền kề.

8

Tùy thuộc vào quá trình uốn cong của từng phân tử riêng lẻ, các vòng xoắn cholesteric có thể thuận tay phải hoặc thuận tay trái. (Nhân tiện, trong Hình 1, a và 2, b, một hình xoắn ốc thuận tay trái được mô tả - di chuyển dọc theo trục của hình xoắn ốc, chúng ta thấy rằng các phân tử quay trục dài của chúng ngược chiều kim đồng hồ.)

Tất nhiên, những khác biệt như vậy về cấu trúc của dịch mật là khá thô và gần đúng, nhưng chúng đưa ra ý tưởng rõ ràng về đặc điểm cấu trúc của các chất đó. Trong những khác biệt này, người ta có thể tìm thấy xa hơn và con trỏ hơn góc α và bước xoắn h đã bằng nhau. Tất nhiên, những đại lượng này là thông số của một chất bao gồm các phân tử cụ thể. Nhưng sự gần đúng của chúng có thể được đánh giá nếu chúng ta tiến hành từ giả định hợp lý rằng góc α càng nhỏ thì năng lượng tương tác của chồi với các phần chính của phân tử càng thấp và sự tương tác của các phần phẳng với nhau càng lớn. Vì, nói một cách đại khái, có khoảng một nguyên tử đi vào phần phụ và khoảng 100 nguyên tử đi vào phần phẳng, nên tỷ lệ của các năng lượng tương tác này là khoảng 1/100. Theo đó, góc α xấp xỉ bằng một phần trăm radian, tức là nửa độ. Đổi lại, bước xoắn h với kích thước phân tử ngang a≈10Å là vài nghìn angstrom, nghĩa là có thể so sánh với bước sóng ánh sáng trong phần nhìn thấy của quang phổ. Chúng tôi thấy rằng điều này là vô cùng có giá trị.

Sự phản xạ có chọn lọc của ánh sáng cholesteric

Hiệu ứng quang học quan trọng nhất được quan sát thấy trong chất lỏng cholesteric là sự phản xạ ánh sáng có chọn lọc của lớp cholesteric. Các mặt phẳng Cholesteric, giống như các mặt phẳng tinh thể thông thường, có thể phản xạ sóng tới chúng. Các sóng phản xạ bởi các mặt phẳng khác nhau có thể, thông qua giao thoa, vừa yếu đi vừa nghe thấy nhau. Nếu ánh sáng chiếu vuông góc với các mặt phẳng thì điều kiện nhấp nháy như sau.

Lenya là thế này: đúng nửa sóng ánh sáng tới phải được đặt giữa các mặt phẳng tương đương liền kề. Từ Hình 1, b bạn có thể thấy tại sao điều này xảy ra. Chúng ta muốn dao động trong sóng phản xạ từ mặt phẳng thứ nhất và thứ hai xảy ra theo cùng pha, tức là các giá trị của điện trường $\vec{E}$ tại mỗi điểm và tại mọi thời điểm đều giống nhau. Trong trường hợp này, biên độ $\vec{E}_0$ của cả hai sóng cộng lại - ánh sáng được khuếch đại. Điều này sẽ xảy ra nếu sóng 2 (xem Hình 1, b), đi vào tinh thể, trên đường từ mặt phẳng thứ nhất đến mặt phẳng thứ hai và quay lại trễ sau sóng 1 đúng bằng bước sóng λ. Nhưng trong cholesteric, các mặt phẳng như vậy cách nhau một khoảng h/2 (ở khoảng cách này trục $\vec{n}$ quay 180°). Do đó, điều kiện khuếch đại trong trường hợp này là h/2=λ/2, hoặc h=λ.

Đặc tính của cholesteric phản xạ ánh sáng với bước sóng đã chọn ($\lambda=h$) cung cấp màu sắc tương ứng của chất, điều này phụ thuộc vào cường độ của chuỗi xoắn cholesteric. Và cao độ của đường xoắn ốc phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Thông thường, một chất ở nhiệt độ cao (ở trạng thái đẳng hướng) là không màu, sau đó, tại thời điểm chuyển sang cholesteric (ở nhiệt độ thấp hơn), nó chuyển sang màu xanh lam (hãy nhớ những gì đã được quan sát bởi F. Reinitzer) và ở cùng nhiệt độ, nó liên tiếp thu được tất cả các màu của quang phổ, từ xanh lam đến đỏ. Điều này có nghĩa là khi chất lỏng cholesteric nguội đi, độ cao của đường xoắn ốc tăng lên và khi được làm nóng, nó sẽ giảm đi. Hành vi này của chuỗi xoắn cholesteric không khó giải thích.

Chúng ta hãy nhớ lại rằng, do đặc thù của sự tương tác giữa các phân tử với các quá trình, trục $\vec{n}_1$ và $\vec{n}_2$ không thể tạo thành một góc quá nhỏ với nhau (giống như trong mạng tinh thể, các nguyên tử lân cận không thể hội tụ đến một khoảng cách quá nhỏ, nhỏ hơn đường kính của nguyên tử). Nhưng khi nhiệt độ ngày càng tăng, do sự dao động nhiệt của các phân tử trong mỗi lớp không khớp nhau, sự phân tán định hướng phân tử tăng lên so với

9

nhưng theo hướng ưu tiên $\vec{n}$ (như trong tinh thể, biên độ dao động nhiệt của các nguyên tử tăng lên).
Nói cách khác, trục của từng phân tử trong lớp sơ đồ không song song, làm nổi bật hướng $\vec{n}$. Do đó, khi được làm nóng, góc giữa trục $\vec{n}_1$ và $\vec{n}_2$ của các lớp lân cận phải tăng lên để các dao động ấm không dẫn đến sự hợp nhất góc tới hạn của các phân tử (trong tinh thể mạng tuần hoàn, khi được nung nóng, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử tăng lên và sự giãn nở nhiệt của vật thể được quan sát thấy). Sự tăng góc $\alpha$, đặc trưng cho sự xoắn của trục $\vec{n}$ trong không gian, làm giảm độ cao của chuỗi xoắn cholesteric khi nhiệt độ tăng.

Hiện tượng đáng chú ý này là cơ sở cho việc sử dụng rộng rãi chất cholesterics làm chất chỉ báo nhiệt đơn giản và hiệu quả trong chẩn đoán y tế, phát hiện hư hỏng trong các mạch điện tử phức tạp, theo dõi trường khí trong các cánh tuabin, v.v. Các chất cholesteric hiện đã được tổng hợp trong đó toàn bộ phổ màu, từ đỏ sang xanh, được quan sát thấy với sự thay đổi nhiệt độ chỉ 0,01 độ, điều này cho thấy rằng thiết bị dựa trên chúng nhạy hơn.

Cao độ của chuỗi xoắn cholesteric cũng rất nhạy cảm với hàm lượng tạp chất trong các chất cholesteric, và do đó những chất này có thể đóng vai trò là chỉ số đáng tin cậy về tình trạng ô nhiễm trong khí quyển.

Tinh thể lỏng - phân tán

Trạng thái tinh thể lỏng cũng có thể thu được bằng cách hòa tan các chất thích hợp trong dung môi, ví dụ như nước, bản thân dung môi này không tạo thành tinh thể lỏng. Điều này tạo ra nhiều loại tinh thể lỏng. Nếu các phân tử của chất bị hòa tan ở dạng que thì thu được chất lỏng nematic; nếu các phân tử hình que có quá trình - chất lỏng cholesteric. Các trạng thái phức tạp hơn cũng có thể thu được.

Hình 3. Sự phụ thuộc của hướng của phân tử vào mật độ của chúng.
$a$) mật độ thấp; $\delta$) mật độ cao.

Trong những tinh thể lỏng như vậy, vai trò quan trọng không chỉ của lực hút giữa các phân tử mà chúng ta đã thảo luận mà còn bởi lực đẩy của các phân tử ở khoảng cách gần. Vai trò của lực đẩy của các phân tử ở khoảng cách gần. Vai trò của lực đẩy của các phân tử ở khoảng cách gần. Vai trò của lực đẩy của các phân tử tác dụng một góc trong không gian. Nhưng để trong trường hợp xảy ra mọi loại hư hỏng, các phân tử không giao thoa với nhau, không giao thoa với nhau thì mỗi phân tử phải có một thể tích nhất định trong chất lỏng. Khối này là một khối lập phương có kích thước cạnh xấp xỉ bằng chiều dài của các phân tử $l$; trong một khối lập phương có thể tích $l^3$, phân tử thực sự có thể được định hướng theo góc (Hình 3, $a$).

Bây giờ chúng ta đặt cùng số lượng phân tử ở cùng nhiệt độ trong một thể tích nhỏ hơn, nghĩa là chúng ta sẽ tăng mật độ của hệ. Kết quả là mỗi phân tử sẽ nhận được thể tích nhỏ hơn $l^3$. Các phân tử sẽ được đặt như thế nào trong trường hợp này? Đương nhiên, chúng có thể được đặt trong một thể tích nhỏ hơn nếu chúng không xoay theo một góc, sắp xếp lẫn nhau và sau đó ít nhiều ở vị trí song song. Nếu kích thước mặt cắt ngang của các phân tử $a$ nhỏ hơn đáng kể so với $l$ và có thể tích $\sim a^2 l$ cho mỗi phân tử, thì tất cả các phân tử phải là

10

được định hướng giống nhau, vì chỉ trong trường hợp này chúng không xác định lẫn nhau (Hình 3, 6). Nhưng điều này chỉ có thể xảy ra trong trường hợp mật độ rất cao. Ở mật độ trung bình, khi đối với mỗi phân tử có thể tích thay đổi từ $l^3$, nhưng lớn hơn $a^2l$, thì thứ tự định hướng tất nhiên sẽ không đầy đủ nhưng vẫn đáng chú ý. Và trật tự này gắn liền với thực tế là các phân tử không thể xuyên qua nhau do lực đẩy mạnh.

Mật độ của các phân tử hình que có thể thay đổi mà không có sự thay đổi đáng kể về tổng thể tích của chất lỏng khi các phân tử đó được hòa tan trong một số dung môi lớn, chẳng hạn như nước. Bằng cách tăng hàm lượng nước theo dung dịch chung, chúng ta thu được chất lỏng không định hướng có điều kiện. Với hàm lượng dung môi rất thấp, chất lỏng nematic hoặc cholesteric được hình thành, tùy thuộc vào chi tiết cấu trúc của các phân tử. Các raster của các phân tử polymer được thảo luận trong bài viết trước chỉ là những tinh thể lỏng đặc trưng như vậy.

Hoạt động của tế bào động vật phần lớn được quyết định bởi tinh thể lỏng - dung dịch được hình thành từ các phân tử đặc biệt. Những phân tử này phức tạp hơn. Sự tương tác của chúng với nhau và với các phân tử dung môi được đặc trưng bởi các phản ứng lực đẩy và liên kết lực hút tĩnh điện. Một phân tử như vậy được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 4, $a$. Nó bao gồm một đầu nhỏ, là một lưỡng cực tĩnh điện và một cái đuôi dài, không tích điện. Chúng ta hãy nhớ lại rằng các phân tử nước cũng là các lưỡng cực tĩnh điện. Các đầu tích điện trái dấu của các lưỡng cực thu hút lẫn nhau, và do đó các đầu phân tử hút nước. Đồng thời, đuôi của các phân tử hóa học được thiết kế sao cho chúng có thể đẩy nước, giống như các phân tử chất béo hoặc sáp.

Một phần rắn
tinh thể lỏng
Cấu trúc của các phân tử đặc biệt được mô tả ở trên giải thích sự đa dạng về cấu trúc của tinh thể lỏng.

Hình 4. Dung dịch nước là tinh thể lỏng. $a$) phân tử lưỡng cực; $b$) một chồng các lớp chất lỏng (smectic).

Tallov - rastor. Ví dụ, khi xác định nồng độ của các phân tử như vậy trong nước, có thể thu được tinh thể lỏng trong đó các phân tử không chỉ có cùng hướng mà còn tạo thành một mạng tinh thể cứng. Chỉ có điều mạng này chỉ giống một phần với mạng thông thường của vật rắn, tuần hoàn theo ba hướng vuông góc lẫn nhau. Chỉ có thể có hai hoặc thậm chí một hướng như vậy trong các tinh thể lỏng đặc biệt.

Hình 4, $b$ cho thấy một chồng các lớp được hình thành với nồng độ phân tử trong nước không quá thấp. Đuôi của các phân tử dường như “ẩn” khỏi nước đằng sau lớp vỏ của các đầu lưỡng cực. Nước có thể theo dõi được giữa hai lớp phân tử. Một chồng các lớp như vậy tạo thành một mạng tinh thể chỉ tuần hoàn theo một hướng—dọc theo trục $Z$. Theo hướng này, độ cứng của mạng giống như trong chất rắn, trong khi theo hướng ngang, lớp có thể trượt tự do, nghĩa là dọc theo các lớp của hệ thống, nó hoạt động giống như một chất lỏng. Cấu trúc này là xà phòng trung bình, đó là lý do tại sao các tinh thể lỏng như vậy được gọi là smectic. Chúng tương tự như cholesterics về độ phức tạp, nhưng các chu kỳ mạng trong hai trường hợp này hoàn toàn khác nhau. Ở cholesterkas, chu kỳ này là vài nghìn angstrom và ở smectos -

11

vài chục angstrom (tương ứng với chiều dài của phân tử).

Khi xác định nồng độ của dung dịch sẽ xuất hiện mạng tinh thể tuần hoàn theo hai hướng. Trong trường hợp này, các phân tử lưỡng cực được tập hợp thành các ngăn chất lỏng hoặc “sợi”, trên thực tế, tạo thành một mạng tinh thể như vậy, tương tự như một chồng bút chì (Hình 5, a). Những tinh thể rắn một phần như vậy không chỉ tồn tại trong các raster. Chúng cũng có thể là những chất riêng lẻ thay đổi trạng thái khi thay đổi nhiệt độ. Trong trường hợp này, khi nhiệt độ giảm, các trạng thái thường thay đổi theo trình tự sau: chất lỏng thông thường - chất lỏng nematic hoặc tinh thể cholesteric - smectic - rắn. Trong một thời gian dài, người ta không tìm thấy các chất tinh thể lỏng có mạng tuần hoàn theo hai hướng, nhưng gần đây chúng đã được phát hiện. Hình 5.6 cho thấy một mạng như vậy được hình thành bởi các chồng chất lỏng của các phân tử hình đĩa. Điều thú vị là trong trường hợp sau cũng có một thứ tự định hướng: các mặt phẳng của các đĩa trong stolnik song song với nhau, mặc dù tâm của các đĩa nằm hoàn toàn hỗn loạn dọc theo trục của stolnik lỏng.

Cấu trúc của tinh thể lỏng - raster - có tầm quan trọng lớn đối với hoạt động sống của một tổ chức, chẳng hạn như đối với sự lưu thông máu, vận chuyển oxy, hoạt động của các tế bào não và hoạt động của các màng tế bào khác nhau. Những màng như vậy thường có cấu trúc như trong Hình 4.6; những khiếm khuyết trong cơ cấu này dẫn đến bệnh tật trong tổ chức. Sự hình thành các tinh thể lỏng cholesteric và đặc biệt là smectic trong máu gây ra các bệnh về tim mạch. Khi có nồng độ không thuận lợi của các thành phần khác nhau trong mật, đầu tiên các tinh thể rắn không hoàn chỉnh và sau đó sẽ hình thành “sỏi”. Những ví dụ này có thể được tiếp tục. Đây là hai cái nữa.

Ví dụ đầu tiên có liên quan đến cụm từ “cholesterol trong máu”, được cả bác sĩ và người không chuyên sử dụng để chỉ một căn bệnh biểu hiện ở sự tắc nghẽn dịch máu. Đây chính xác là trường hợp khi một tinh thể lỏng cholesteric “tốt” (nghĩa là có cấu trúc hoàn hảo) được hình thành do bệnh tật là một triệu chứng phẳng. Thật vậy, chúng tôi đã lưu ý rằng cholesteric chỉ có tính lưu động tốt dọc theo các lớp chuyên đề, trong khi theo hướng ngang, nó giống một vật thể rắn hơn. Do đó, khi ở trạng thái tuần hoàn, các mảnh xoắn ốc cholesteric được sắp xếp sao cho dòng máu phải chảy qua các mạch máu, sức cản đối với dòng chảy này tăng lên rất nhiều - mạch máu bị tắc.

Hình 5. Mạng tinh thể tuần hoàn theo hai hướng. a) các “sợi” lỏng trong dung dịch; b) “sợi” chất lỏng của các phân tử đĩa.