В статье автор изучает свойства жидких кристаллов. Были рассмотрены некоторые области их применения, с целью выявления значимости их использования для улучшения качества жизни.
Ключевые слова: жидкий кристалл, жидкокристаллический дисплей, холестерики, эмульсия.
История открытия
Жидкий кристалл — это фазовое состояние, в котором вещество обладает свойствами как жидкости, так и кристалла. В жидком кристалле молекулы или атомы расположены в определённом порядке, но при этом сохраняется текучесть вещества. Жидкие кристаллы обладают анизотропией свойств, то есть их физические свойства зависят от направления в пространстве. Это делает их полезными в различных областях, включая электронику, оптику и биологию.
Фридрих Рихард Рейнитцер, австрийский ботаник, открыл жидкий кристалл. Он исследовал сложный эфир холестерина — холестерилбензоат. В процессе работы он заметил, что у этого вещества есть две точки плавления.
При температуре 1450 °C кристаллическое вещество становилось мутной жидкостью. Но при нагревании до 1790 °C оно становилось прозрачным. Рейнитцер назвал температуру, при которой вещество становилось прозрачным, точкой просветления [1].
Чтобы лучше понять это явление, он отправил образцы немецкому учёному Отто Леману. Леман исследовал жидкость под поляризационным микроскопом и обнаружил, что мутная фаза холестерилбензоата обладает анизотропными свойствами, характерными для твёрдых кристаллов. Леман назвал это состояние «жидким кристаллом».
В то время учёные не проявили интереса к этим жидкостям, так как это противоречило теории о трёх состояниях вещества. Даже после исследований Лемана эти вещества не нашли практического применения. Активное изучение началось только после Второй мировой войны, с развитием микроэлектроники и потребности в веществах, способных отражать и передавать информацию.
Общие принципы, определяющие структуру веществ, необходимых для жидкокристаллических свойств, были разработаны Джорджем Уильямом Греем. В 1965 году он организовал первую конференцию по жидким кристаллам, собрав около 100 исследователей. Это положило начало международным исследованиям в области жидких кристаллов [1].
Структура жидких кристаллов
В жидкокристаллических соединениях молекулы расположены не так упорядоченно, как в обычных кристаллах. Именно это отличает жидкокристаллические соединения от обычных жидкостей. Из-за отсутствия полного порядка в расположении центров тяжести молекул жидкокристаллические соединения не имеют жёсткой кристаллической решётки. Это объясняет их текучесть.
Однако жидкокристаллические соединения всё же обладают некоторыми свойствами, характерными для кристаллов. Например, в них есть порядок в пространственной ориентации молекул. Все длинные оси молекул в жидкокристаллических соединениях ориентированы одинаково. Кроме того, в жидкокристаллических соединениях возможна более сложная пространственная ориентация молекул [2].
Холестерическая спираль
Холестерики — уникальные жидкие кристаллы, структура которых меняется под воздействием температуры, давления, электромагнитных полей и механических напряжений. Это позволяет легко изменять их цвет и применять в технике и медицине.
Капсулированные жидкие кристаллы, созданные путем введения холестериков в полимерные плёнки, используются в качестве термометров и для визуализации тепловых полей. Для улучшения цветового контраста добавляют чёрный краситель.
При наложении плёнки на тело появляется цветное изображение распределения температуры, что помогает выявлять очаги воспаления и новообразования.
Плёнки используются в медицине как термометры и тепловизоры для быстрой диагностики воспалительных процессов (аппендициты, перитониты, холециститы), сосудистых заболеваний (атеросклероз конечностей, облитерирующий эндартериит), а также новообразований [3].
Жидкие кристаллы в косметических средствах
Эмульсия — это смесь веществ, в которой один компонент не растворяется в другом. Вспомним двухфазное средство для снятия макияжа: вода внизу, масло наверху. Если их смешать, масло начнёт соберется в отдельный слой. Эмульсия не расслаивается благодаря эмульгаторам, которые сохраняют смесь стабильной [4].
Специалисты разработали ламеллярную эмульсию, или жидкие кристаллы. Молекулы эмульгатора выстраиваются в кристаллическую решетку, притягивают частички масла, а пространство между ними занимает вода. Образуется многослойная структура, которая быстро увлажняет кожу и доставляет активные вещества.
Преимущество ламеллярных эмульсий в их строении, напоминающем липидный слой эпидермиса. Это позволяет им быстро впитываться и проникать в глубокие слои кожи. В многослойной структуре водорастворимые компоненты «заперты» между маслами и проникают в эпидермис вместе с кристаллами [5].
Литература:
- Володин А. Р. История открытия жидких кристаллов / А. Р. Володин // Сер. 2 — Химия. — 2003. — Т. 43. — № 2. — С. 130–134.
- Химия жидких кристаллов и мезоморфных полимерных систем / Ю. Б. Америк, Б. А. Кренцель. — Москва: Наука, 1981. — 288 с.
- Шибаев В. П. Жидкие кристаллы: холестерики / В. П. Шибаев // Химия и жизнь. — 2008. — № 7. — С. 6–15.
- Эмульсии. Общая фармакопейная статья // Государственная фармакопея Российской Федерации XV издания: сайт / Министерство здравоохранения Российской Федерации. URL: https://pharmacopoeia.regmed.ru/pharmacopoeia/izdanie-15/1/1–4/1–4–1-lekarstvennye-formy/emulsii/ (дата обращения: 26.01.2025)
- Технология жидких кристаллов — ламеллярная эмульсия // Блог: сайт / Cosmedix. URL: https://cosmedix-russia.ru/blog/samoe-effektivnoe-uvlazhnenie-tekhnologiya-zhidkikh-kristallov/?ysclid=m31dxj5toy218881645 (дата обращения: 26.01.2025)
