Учени от MSU създадоха нови светлочувствителни полимери с течни кристали. Течни кристали и LCD смоли Toray Liquid Crystal Resin
Лекция 4/1
Тема. Физични състояния на полимерите. Кристални, аморфни и течнокристални полимери.
Разграничаване агрегат и фазаполимерни състояния.
Полимери съществуват в две агрегатни състояния: твърдои течност.Третото агрегатно състояние - газообразно - не съществува за полимерите поради много високите сили на междумолекулно взаимодействие поради големите размери на макромолекулите.
AT твърдоВ агрегатно състояние полимерите се характеризират с висока плътност на опаковане на молекулите, наличие на определена форма и обем в телата и способност да ги запазват. Твърдото състояние се реализира, ако енергията на междумолекулното взаимодействие надвишава енергията на топлинното движение на молекулите.
AT течностсъстоянието на агрегация запазва висока плътност на опаковката на макромолекулите. Характеризира се с определен обем, определена форма. Въпреки това, в това състояние полимерът има малка устойчивост на запазване на тази форма. Ето защо
полимерът приема формата на съд.
В две агрегатни състояния има термопластичен топими полимери. Те включват много линейни и разклонени полимери - полиетилен, полипропилен, полиамиди, политетрафлуоретилен и др.
Мрежа полимери, както и линейни и разклонени полимери, които придобиват мрежова структура при нагряване, съществуват само в в твърдо състояние.
В зависимост от степента на подреденост на подреждането на макромолекулите, полимерите могат да бъдат в три фазови състояния: кристална, течен кристали аморфен.
кристалнасъстоянието се характеризира далечен ред в подреждането на частиците т.е. от порядъка на стотици и хиляди пъти по-голям от размера на самите частици.
течен кристалсъстояние, междинно между кристално и аморфно.
аморфенхарактеризира се фазовото състояние поръчка на къси разстояния в разпореждане частици , т.е. редът, наблюдаван на разстояния, сравними с размерите на частиците.
Кристално състояние на полимерите
Кристалното състояние на полимерите се характеризира с факта, че единиците на макромолекулите образуват структури с триизмерен далечен ред. Размерът на тези структури не надвишава няколко микрона; те обикновено се наричат кристалити . За разлика от веществата с ниско молекулно тегло, полимерите никога не кристализират напълно; заедно с кристалитите, те запазват аморфни области (с неуредена структура). Следователно полимерите в кристално състояние се наричат аморфно-кристален или частично кристален. Обемното съдържание на кристалните участъци в пробата се нарича степен на кристалност . Той се определя количествено чрез различни структурно-чувствителни методи. Най-често срещаните от тях са: измерване на плътност, метод на рентгенова дифракция, IR спектроскопия, ЯМР. За повечето полимери степента на кристалност варира от 20 до 80%, в зависимост от структурата на макромолекулите и условията на кристализация.
Определя се морфологията на кристалите и видът на тяхното агрегиране метод на кристализация . Така, при бавна кристализация от разредени разтворив разтворители с ниско молекулно тегло (концентрация ~ 0,01%) кристалитите са единични правилно фасетирани плочи ( ламели ), които се образуват чрез сгъване на макромолекулата „върху себе си“ (фиг. 1).
Фиг. 1. Схема на структурата на ламеларен кристал от нагънати макромолекули
сварка-информация/com
Дебелината на ламелите обикновено е 10-15 nm и се определя от дължината на гънката, а дължината и ширината им могат да варират в широки граници. В този случай оста на макромолекулата се оказва перпендикулярна на равнината на плочата, а на повърхността на плочата се образуват бримки (фиг. 2). Поради наличието на места, в които се събират бримки от сгъваеми макромолекули, няма напълно кристален ред. Степента на кристалност, дори за отделни полимерни монокристали, винаги е по-малка от 100% (за полиетилена, например, 80-90%). Морфологията на полимерните монокристали отразява симетрията на техните кристални решетки, а дебелината силно зависи от температурата на кристализация и може да варира няколко пъти.
Ориз. 2. Гънки на макромолекули в полиетиленови кристалити сварка-информация/com
Изродената форма на ламеларните кристали са фибриларни кристали (фибрили), които се характеризират с голямо съотношение на дължина към дебелина (фиг. 3). Те се развиват при условия, които насърчават преференциалния растеж на една от лицата, например висока скорост на изпаряване на разтворителя. Дебелината на фибрилите обикновено е 10 -20 nm, а дължината достига много микрони.
Ориз. 3. b - микрофибрил; в - фибрил. Сканираща електронограма.. www. ntmdt. en
Кристалните плочи представляват най-простата форма на кристализация от разтвор. Увеличаването на скоростта на кристализация или увеличаването на концентрацията на разтвора води до появата на по-сложни структури: спирални образувания от "близнаци" (две плочи, свързани по протежение на кристалографска равнина), както и различни дендритни форми, включително голям брой плочи, спираловидни тераси, "близнаци" и други. С по-нататъшно повишаване на концентрацията, сферолити . Сферулити се образуват и при кристализацията на полимери от стопилки. Това е най-често срещаната и често срещана форма на кристални образувания в полимерите.
AT сферолити ламелите се отклоняват радиално от общите центрове (фиг. 4). Електронно микроскопските изследвания показват, че сферолитната фибрила е съставена от множество ламели, подредени една върху друга и усукани около радиуса на сферолита. Наблюдават се сферолити с диаметър от няколко микрона до няколко см. В блокови проби се появяват триизмерни сферолити, а в тънки филми – двуизмерни, плоски. Предполага се, че в кристалите на блокови проби част от макромолекулата има нагъната конформация, докато другата част преминава от кристалит в кристалит, свързвайки ги един с друг. Тези "преходни" вериги и участъци на сгъване образуват аморфната част на сферолитите.
Ориз. 4. Пръстенени сферолити от полиетилен себакат
Същият полимер, в зависимост от условията на кристализация, може да се образува сферолити различен вид ( радиална, пръстеновидна ) (фиг. 5). При ниски степени на преохлаждане обикновено се образуват пръстеновидни сферолити, а при високи - радиални сферолити. Например, полипропиленовите сферолити имат различни оптични свойства и дори различни точки на топене, в зависимост от кристалната модификация, в която кристализира полимерът. От своя страна полипропиленовите сферолити с моноклинна клетка могат да бъдат както положителни, така и отрицателни. Сферулитът се нарича положителен, ако неговото двойно пречупване е по-голямо от нула. Ако е по-малко от нула, тогава сферолитът е отрицателен.
Фиг.5. Видове сферолити: а - радиални, б - пръстеновидни.
Кристализацията на стопилката при температура близка до точката на топене (преохлаждане не повече от 1°C) протича много бавно и води до образуването на най-съвършените кристални структури, изградени от изправени вериги. Механизмът на кристализация с изправени вериги рядко се прилага на практика. За да направите това, едновременно с охлаждането на стопилката е необходимо да се прилагат големи напрежения.
Повечето полимери кристализират под формата на сферолити. Въпреки това, в редица случаи, само групи от ламеларни кристали се намират в насипния полимер. Открити са и структурни образувания, междинни между монокристали и сферолити. Често тези структури са фасетирани и големи - до десетки микрона. Все още не е изяснено дали има определен брой междинни структури или различни морфологични форми непрекъснато преминават една в друга.
Аморфно състояние на полимерите
аморфенполимерите нямат кристална структура.Това състояние на полимерите се характеризира с:
отсъствието на триизмерен ред на дълги разстояния в подреждането на макромолекулите,
близък ред в подреждането на връзки или сегменти от макромолекули, бързо изчезващи, когато се отдалечават един от друг.
Полимерните молекули изглежда образуват "рояци", чийто живот е много дълъг поради огромния вискозитет на полимерите и големия размер на молекулите. Следователно в някои случаи такива рояци остават практически непроменени. AT аморфен състоянието също са полимерни разтвори и полимерни желета .
Аморфните полимери са еднофазни и са изградени от верижни молекули, събрани в пакети. Пакетите са структурни елементи и могат да се движат спрямо съседните елементи. Някои аморфни полимери могат да бъдат изградени от глобулаГлобулите се състоят от една или много макромолекули, нагънати в сферични частици (фиг. 6). Възможността за сгъване на макромолекулите в топка се определя от тяхната висока гъвкавост и преобладаването на силите на вътрешномолекулно взаимодействие над силите на междумолекулно взаимодействие.
Фиг.6. Глоуларната форма на хемоглобина, съдържаща четири молекули от железния комплекс
www. кръгосвет. en
Аморфните полимери, в зависимост от температурата, могат да бъдат в три състояния, които се различават по естеството на топлинното движение: стъклени, силно еластичнии вискозен. Етапът, в който се намира полимерът, се определя от промяната в неговата структура и силите на сцепление между макромолекулите на линейните полимери.
В ниски температури аморфни полимери са в стъкловидно тялосъстояние. Сегментите на молекулите нямат подвижност и полимерът се държи като обикновено твърдо вещество в аморфно състояние. В това състояние материалът чуплив . Преходът от силно еластично състояние към стъклено състояние с понижаване на температурата се нарича витрификация , а температурата на такъв преход е температура на встъкляване .
силно еластичнасъстояние, характеризиращо се със способността на полимера лесно да се разтяга и свива при достатъчно високи температури , когато енергията на топлинното движение стане достатъчна, за да предизвика движението на сегменти от молекулата, но все още недостатъчна, за да приведе молекулата като цяло в движение. В силно еластично състояние полимерите, с относително ниски механични напрежения, имат много голяма еластична деформация . Например гумите могат да се разтягат почти 10 пъти.
AT вискозенсъстояние, не само сегментите, но и цялата макромолекула могат да се движат. Полимерите придобиват способност да текат, но за разлика от обикновената течност, тяхното протичане винаги е придружено от развитие на силно еластична деформация. Материалът в това състояние, под въздействието на малки сили, експонира необратими пластична деформация , който може да се използва за технологичната му обработка.
С линейна структура на макромолекулите, полимерите в аморфно състояние са еластично-вискозни тела, а когато се образува силна пространствена структура, те са вискоеластични тела.
Всяко външно въздействие, което влияе върху подвижността на частиците в аморфни тела (промени в температурата, налягането), засяга физичните свойства (диелектрични характеристики на материала, газопропускливост).
Течнокристално състояние на полимерите
Течните кристали са необичайни вещества. Те съчетават свойствата, присъщи на течности и твърди вещества, което е отразено в името. От течностите те взеха течливост, тоест способността да приемат формата на съд, в който се изливат. От твърди кристални тела - анизотропия Имоти . Последното се обяснява със структурата на течните кристали - молекулите в тях са подредени не произволно, а подредено. Въпреки това, не толкова строг, колкото в твърдите кристали
Не всички съединения преминават в течнокристално състояние, а само тези, чиито молекули имат значително анизометрия (форма на пръчки или дискове). В зависимост от опаковката на молекулите има три вида структуритечни кристали - смектичен , нематичен и холестеричен .
смектици,може би най-близо до обикновените кристали. Молекулите в тях са опаковани на слоеве, а центровете им на маса са фиксирани (фиг. 7). AT нематици, напротив, центровете на масата на молекулите са разположени произволно, но осите на техните молекули, обикновено пръчковидни, са успоредни една на друга (фиг. 8). В този случай се казва, че те се характеризират с ориентационен ред.
Най-сложната структура на третия тип течни кристали е холестеричен.За образуването на холестерици са необходими така наречените хирални молекули, тоест несъвместими с огледалния им образ.
Ориз. 7. Схематично представяне на течен кристал в смектична фаза
http://dic. академичен. bg/
https://pandia.ru/text/80/219/images/image009_79.jpg" alt="(!LANG:Фиг. 1. Картината показва въртенето на директора на 180° в холестеричната фаза. Съответното разстояние е полупериод, p /2." width="178" height="146">!}
Фиг.9. Схематично представяне на холестеричен течен кристал
dic академичен. en
Други функционални групи също могат да бъдат въведени в такава полимерна верига, напр. фотохромен групи, контролирани от светлина, или електроактивен групи, ориентирани под въздействието на електрическо поле.
Сами по себе си течните кристали са вискозни течности само в тесен температурен диапазон. Следователно те имат своите специални свойства само в този температурен диапазон. Течнокристалните полимери, за разлика от течните кристали, запазват както структурата, така и свойствата на течнокристалната фаза при охлаждане. Тоест, възможно е да се фиксира чувствителна течнокристална структура в твърдо вещество, без да се губят, например, нейните уникални оптични свойства.
Холестериците лесно реагират на въздействието на температурата. Някои променят цвета си много бързо с много малка промяна на температурата - можете да създадете оригинални от тях. термовизори , или термични индикатори. Например, чрез облъчване на повърхността на такъв материал с лазер, може да се изследва разпределението на плътността на интензитета на неговия лъч. Холестеричните полимерни покрития могат да се използват за тестване на самолети в аеродинамичен тунел, тъй като разпределението на температурата ясно ще покаже кои места са по-турбулентни и кои са ламинарният въздушен поток около самолета.
Един от най-интересните примери за използване на полимерни холестерици е препаратът светлинни филми . Ако в полимерната верига се въведе мономер с фотохромна група, чиято форма се променя, когато е изложена на светлина с определена дължина на вълната, тогава стъпката на спиралата в холестеричната структура може да се промени. С други думи, чрез облъчване на материал със светлина е възможно да се промени цвета му. Това свойство на получения материал може да се използва за записване и съхраняване на цветна информация, в холография и технология на дисплея .
Въпреки това, стъпката на спиралата може да се промени не само от действието на светлината и температурните промени (както при термовизионните камери), но и от действието на електрически и магнитни полета. За да направите това, е необходимо да се въведе електроактивен или магнитоактивен групи. Въздействието на електрическо или магнитно поле води до ориентация на молекулите на течния кристал и до изкривяване, а след това и до пълно развиване на холестеричната спирала.
Изследването на течни кристални полимери, които са много по-млади от течните кристали с ниско молекулно тегло, ще отвори много повече неизследвани аспекти на тяхното физико-химично поведение.
3.4. Течнокристално състояние на полимерите
3.4.1. Природата на течно-кристалното състояние на материята
Структурата на веществата в течнокристално състояние е междинна между структурата на течността и кристала. Това междинно състояние се нарича мезомерно, от "mesos" - междинно. Има няколко вида мезофази:
течни кристали, които могат да бъдат наречени позиционно неуредени кристали или ориентационно подредени течности, те са образувани от анизотропни (удължени) молекули, включително макромолекули с твърда верига;
пластмасови кристали, образувани от молекули с малка анизотропия на формата, полимерни глобули, те се характеризират с наличието на позиционен ред и отсъствието на ориентационен ред;
condis-кристали, образувани от гъвкави верижни макромолекули и органични циклични структури.
Молекулите или фрагментите от макромолекули, които образуват мезофази, се наричат мезогенни, а съответните кристали се наричат мезоморфни. Най-често срещаното свойство на течните кристали е анизотропията на свойствата, което води по-специално до тяхната мътност. Благодарение на тази особеност течните кристали са открити в края на 19 век. F. Reinitzer - при понижаване на температурата течната субстанция холестерил бензоат става мътна и след това става прозрачна при повишаване. Наличието на температура на изчистване е една от характерните особености на наличието на подреждане на течни кристали. Друг характерен признак за образуване на мезофаза е лек термичен ефект. Видът на молекулярната опаковка, нейният характерен модел - "текстура", се определят в поляризационен микроскоп. Параметрите на течнокристалната структура се определят чрез рентгенов дифракционен анализ. Течните кристали, образувани в стопилки при топенето на кристални тела, се наричат термотропни. Течните кристали, които се появяват в разтвори при промяна на концентрацията им, се наричат лиотропни.
Първите учени, които прогнозират възможността за образуване на мезофаза от полимери, са В. А. Каргин и П. Флори. През 1960-те години течнокристалното подреждане е открито първо за полимери с твърда верига, след това за полимери с гъвкава верига. Важно предимство на течнокристалните полимери пред течните с ниско молекулно тегло е способността на първите да витрифицират, поради което течнокристалната структура се фиксира в твърдо състояние. Това обстоятелство значително разширява областите на практическо използване на разглежданото явление, по-специално в устройствата за запис и съхранение на информация.
Основният критерий за възможността за преминаване на полимерите в мезоморфно състояние е съотношението на дължината на сегмента или фрагмента на заместителя към диаметъра x = L/d >> 1, което се удовлетворява от ароматни полиамиди, целулозни етери, -спирални полипептиди, ДНК, гребеновидни полимери и др. Даденото характерно съотношение ни позволява да изчислим концентрацията на фазов преход:
където A е константа, равна на 5-10. Тази връзка важи добре за лиотропните системи, т.е. разтвори на полимери с твърда верига с различни механизми за гъвкавост - устойчиви, ротационни изомерни, свободно шарнирни. Има три основни типа кристална фаза: нематична, смектична и холестерична (фиг. 3.16). В първия, молекулите са склонни да се ориентират в една предпочитана посока; във втория, по преобладаващата посока, представена от спирала; в третото, заедно с ориентацията на молекулите, има ред на транслация на далечни разстояния в едно или повече измерения, с други думи, пластов ред.
Течнокристалната фаза може да се образува в разтвори и стопилки на полимери с твърда верига, както и съполимери, чиито макромолекули съдържат гъвкави и твърди участъци. Течнокристалното подреждане на полимерите на полифосфазен, полидиетилсилоксан и полидипропилсилоксан, които очевидно не отговарят на критерия L >> d, ни накара да предположим, че при определени условия се допуска втвърдяване на веригата, спонтанно изправяне и последващо опаковане в т.нар. condis-crystal е възможно. Този термин се отнася до конформационно неуреден кристал с удължени вериги.
Първата теория за течнокристално нематично подреждане на полимер е предложена от Л. Онзагер през 1949 г. за моделно решение на цилиндрични дълги пръти с дължина L и диаметър d при условие L >> d. Ако разтвор с обем V съдържа N пръчки, тогава тяхната концентрация c и обемна фракция φ са съответно равни:
Поради термичното движение на макромолекулите, ориентацията на дългите им оси в една посока по време на подреждане на течни кристали не може да бъде стриктна, тяхното разпределение в посоки спрямо дадена се характеризира с функцията на разпределение . За разглежданата система продуктът е равен на броя на пръти за единица обем с посоки, лежащи вътре в малък плътен ъгъл. около вектора. Векторът може да приеме всяка посока, докато за изотропно решение = const, за подредено решение той има максимум в посока, съвпадаща с посоката на ориентация.
В теорията на Онзагер функцията на Гибс на решението на пръчките се изразява като сума от три члена:
където G 1 представлява приноса към функцията на Гибс, свързана с движението на прътите, G 2 взема предвид загубите на ентропия, които са неизбежни по време на прехода към подредено състояние. Най-голям интерес представлява третият член G 3, свързан с функцията на Гибс (свободна енергия) на взаимодействието на пръчките. Според Онзагер,
където B(γ) е вторият вириален коефициент на взаимодействие на пръчките, чиито дълги оси образуват ъгъл y помежду си. В този случай взаимодействието на прътите е ограничено само от възможното им отблъскване поради взаимна непропускливост. Следователно стойността на B(γ) е равна на обема, изключен от един прът за движението на друг.
От фигура 3.17 следва, че изключеният обем и следователно B(γ) са равни на:
което съответства на паралелепипеда, показан на фиг. 3.17.
От (3.118) може да се види, че при γ → 0, G 3 → 0, следователно, ориентационното подреждане или, с други думи, подреждането на пръти успоредно един на друг е термодинамично изгодно, тъй като води до намаляване на функцията на Гибс на системата. Това заключение е от общ характер. Видът на молекулярната опаковка на мезофазата, нейната текстура, колкото и странна да е тя, винаги отговаря на минималната стойност на функцията на Гибс.
В теорията на Онзагер се получават следните крайни резултати.
1. Ориентационното подреждане в разтвор на дълги твърди пръти е фазов преход от втори ред.
2. За φ< φ i , раствор изотропен, при φ >φ a - анизотропен, при φ i< φ < φ a раствор разделяется на две фазы - изотропную и анизотропную.
3. Преходните области са свързани с характеристиките на асиметрията на макромолекулата:
Подреждането на течните кристали в разтвор на твърди пръти също е теоретично изследвано от Флори на базата на решетъчния модел на разтвора. Той изведе следната връзка, свързана с критичната концентрация и параметъра на асиметрията:
При достигане на концентрация на пръчки или пръчковидни макромолекули с твърда верига, равна на , разтворът се разделя на две фази - изотропна и анизотропна (течно-кристална). С увеличаване на φ 2 >относителното количество на първото намалява, второто - нараства, в границата целият разтвор ще стане течно подреден. Общият изглед на фазовата диаграма на разтвор с течнокристално подреждане на пръчковидни молекули е получен за първи път от Флори. Той съответства на показания на фиг. 3.18 фазова диаграма на разтвор на синтетичен поли-γ-бензил-L-глутаматен полипептид. Горната лява част на диаграмата съответства на изотропната фаза, горната дясна част съответства на анизотропната фаза, средната част, ограничена от кривите, съответства на съвместното съществуване на изотропната и анизотропната фаза.
Диаграмите от този вид се характеризират със съществуването на тесен коридор за разделяне на фазите. Смята се, че той трябва да се сближи в точка, съответстваща на хипотетичната температура на преход на полимера от изотропно към течнокристално състояние. Ясно е, че тази точка трябва да бъде разположена в горния десен ъгъл на диаграмата, откъдето следва, че с повишаване на температурата коридорът трябва да се стеснява и да завива надясно. Когато температурата се повиши над 15°C (началото на коридора), съотношението на концентрациите на полимера в съпътстващите изотропна и анизотропна фаза се различава относително малко - (Ф 2) от /(Ф2) анис = 1,5. Този резултат беше предвиден от Флори. При Т< 15 °С в широкой двухфазной области концентрация полимера в анизотропной фазе (φ 2 ≈ 0,7 - 0,85) значительно выше по сравнению с изотропной (φ 2 ≈ 0,01-0,05).
Служители на Химическия факултет на Московския държавен университет успяха да създадат материал, който може да стане основа за ново поколение монитори с течни кристали.
Служители на Лабораторията по химични трансформации на полимери, катедра по високомолекулни съединения, Химически факултет, Московски държавен университет „Ломоносов“, синтезират и изучават многофункционални течнокристални полимери. Такива материали не само съчетават различни функционални свойства - тези свойства могат да бъдат насочени към промяна с помощта на светлинни, електрически или магнитни полета.
Групата е широко известна сред учените, работещи с течнокристални полимери. Например, университетските химици бяха сред първите в света, които създадоха течнокристален холестеричен полимер с фотоконтролирана стъпка на спирала. И сега те успяха да съчетаят в един материал способността да променят оптичните свойства при облъчване със светлина и при прилагане на електрическо поле. Също за първи път.
Въпреки това, за начало си струва да се спрем по-подробно на природата на течните кристали и течнокристалните полимери.
Четвърто състояние на материята
Течните кристали са необичайни вещества. Те съчетават свойствата, присъщи на течности и твърди вещества, което е отразено в привидно парадоксалното им име. От течностите те взеха течливост, тоест способността да приемат формата на съд, в който се изливат. От твърди кристални тела - анизотропията на свойствата.
Последното се обяснява със структурата на течните кристали – молекулите в тях не са подредени произволно, а подредени. Вярно, не толкова строго, колкото в твърдите кристали. Всъщност течният кристал е четвъртото състояние на материята. Въпреки това, доста дълго време физиците и химиците по принцип не разпознаваха течните кристали, тъй като тяхното съществуване разруши теорията за трите състояния на материята - твърдо, течно и газообразно. Учените приписват течните кристали или на колоидни разтвори, или на емулсии, докато в началото на 20 век немският професор Ото Леман убедително доказва тяхното съществуване.
Не всички съединения преминават в течнокристално състояние, а само тези, чиито молекули имат значителна анизометрия (формата на пръчици или дискове). В зависимост от опаковката на молекулите съществуват три вида течни кристални структури - смектични, нематични и холестерични.
Смектиката е може би най-близкото нещо до обикновените кристали. Молекулите в тях са опаковани на слоеве, а центровете им на маса са фиксирани. При нематиците, напротив, центровете на масата на молекулите са разположени произволно, но осите на техните молекули, обикновено пръчковидни, са успоредни една на друга. В този случай се казва, че те се характеризират с ориентационен ред.
Холестерици
Най-сложната структура на третия вид течни кристали - холестерични. За образуването на холестерици са необходими така наречените хирални молекули, тоест несъвместими с огледалния им образ. Ако мислено разделите холестеричния слой на монослоеве, тогава молекулите в него се намират във всеки монослой, така че дългите им оси да са успоредни една на друга. По този начин всеки монослой има нематична структура. Въпреки това, огледалната асиметрия на холестеричните молекули кара всеки следващ монослой да се върти под малък ъгъл. В резултат на това цялата структура е усукана в спирала. Стъпката на спиралата, тоест разстоянието, през което молекулите се въртят на 360 °, зависи от вида на хиралните молекули и тяхната концентрация.
Именно спиралната структура дава на холестериците способността селективно да отразяват падащата светлина. Стъпката на спиралата определя дължината на вълната на отразената светлина; именно в този цвят изглежда оцветен холестеричният слой. Освен това, ако разгледаме тази проба от различни ъгли, тогава тя ще бъде оцветена по различен начин. Въпреки това, може да не видим оцветяване, ако дължината на вълната на отразената радиация е разположена в ултравиолетовата или инфрачервената област на спектъра.
Течнокристални полимери
Холестериците в естественото си състояние, когато са по същество вискозни течности, са неудобни за употреба. В повечето случаи се налага поставянето им в специална запечатана обвивка за оформяне и защита от външни влияния. Едно от решенията на този проблем е капсулирането, тоест физическото въвеждане на течен кристал в полимерен филм. Но има по-елегантно решение - създаването на течнокристални полимери.
Такива материали се получават чрез кополимеризация на определени мономери - молекули, които, когато се комбинират една с друга, образуват полимерна верига. Ако се използват мономери, съдържащи хирален фрагмент, тогава полученият полимер ще бъде холестеричен. За първи път полимерните холестерици са получени през 90-те години на миналия век едновременно в Химическия факултет на Московския държавен университет и в университета в Майнц (Германия).
Други функционални групи също могат да бъдат въведени в такава полимерна верига. „Това могат да бъдат фотохромни групи, тоест контролирани от светлина. Това могат да бъдат електроактивни групи, тоест ориентирани под въздействието на електрическо поле. Това отваря широка възможност за създаване на нови материали и показване на всички свойства, които са присъщи на всеки отделен фрагмент “, каза в интервю Валери Шибаев, ръководител на Лабораторията за химични трансформации на полимери, член-кореспондент на Руската академия на науките. с кореспондента на сайта.
„Чрез създаването на такива полимери можем да комбинираме молекули в един материал, които често дори не се смесват в първоначалното си състояние. Това означава, че можем да комбинираме и техните уникални свойства“, добавя Алексей Бобровски, член на лабораторията, кандидат на химическите науки.
Примери за използване на холестерични полимери
Но дори и това не е най-важното. Сами по себе си течните кристали са вискозни течности само в тесен температурен диапазон. Това означава, че те имат свои собствени специални свойства само в този температурен диапазон. Но течнокристалните полимери, когато се охлаждат, запазват както структурата, така и свойствата на течнокристалната фаза. Тоест, възможно е да се фиксира чувствителна течнокристална структура в твърдо вещество, без да се губят, например, нейните уникални оптични свойства.
Холестериците лесно реагират на въздействието на температурата. Някои променят цвета си много бързо с много малка промяна на температурата - те могат да се използват за създаване на оригинални термовизори или термични индикатори. Например, чрез облъчване на повърхността на такъв материал с лазер, може да се изследва разпределението на плътността на интензитета на неговия лъч. Холестеричните полимерни покрития могат да се използват за тестване на самолети в аеродинамичен тунел. „Разпределението на температурата ясно ще покаже на кои места турбуленцията е по-проявена и в кои - ламинарен въздушен поток около самолета“, обяснява Валери Шибаев.
Един от най-интересните примери за използване на полимерни холестерици е производството на филми с контролирана светлина. Ако в полимерната верига се въведе мономер с фотохромна група, чиято форма се променя, когато е изложена на светлина с определена дължина на вълната, тогава стъпката на спиралата в холестеричната структура може да се промени. С други думи, чрез облъчване на материал със светлина е възможно да се промени цвета му. Това свойство на получения материал може да се използва за запис и съхраняване на цветна информация в холографията и технологията на дисплея. Ярки примери, демонстриращи тези способности на холестериците, могат да се видят във видеото.
Многофункционален пример
Въпреки това, стъпката на спиралата може да се промени не само от действието на светлината и температурните промени (както при термовизионните камери), но и от действието на електрически и магнитни полета. За да направите това, е необходимо да се въведат електроактивни или магнитоактивни групи в полимера. Въздействието на електрическо или магнитно поле води до ориентация на молекулите на течния кристал и до изкривяване, а след това и до пълно развиване на холестеричната спирала.
Последната работа на Алексей Бобровски и Валери Шибаев, публикувана в Journal of Materials Chemistry, описва как са успели да създадат уникален материал, който съчетава светлинна и електрическа чувствителност.
Както отбелязват авторите на работата, всички съединения, използвани за новия материал, вече са известни. Основата беше нематичен течен кристал с добавяне на хирални молекули, които усукват сместа в холестерична спирала. Въвеждането на фотохромно съединение прави възможно при облъчване с ултравиолетова светлина да се измести селективното отражение на дадена област от синята област на спектъра към червената. Но структурата на тази смес може да се промени и от действието на електрическо поле - когато полето се приложи, молекулите са склонни да се подредят по него, като по този начин изкривяват спиралата. И в достатъчно голямо поле спиралата се развива. „Всъщност има преход към нематичната фаза“, обяснява Алексей Бобровски.
С други думи, получена е еднослойна клетка, в която е възможно да се създават зони с различни цветове, които имат способността да се обезцветяват при излагане на електрическо поле. Точно това ви трябва за пиксел на цветен дисплей. Въпреки това, след електрическото развиване на спиралата, връщането към първоначално ориентираната холестерична фаза отнема много време и цветовият контраст не се възстановява.
Този проблем може да бъде решен чрез полимеризация. Въвеждането на само 6% от специален фотополимеризиращ мономер прави възможно, също и чрез облъчване с ултравиолетова светлина, да се създаде триизмерна полимерна мрежа. Той прониква в целия обем на материала и сякаш запомня оригиналната ориентация. Дължината на вълната, към която фотохромният фрагмент е чувствителен, е по-къса от дължината на вълната на светлината, необходима за фотополимеризация и получаване на полимерна мрежа. Следователно става възможно първо да се създаде клетка със зони с различни цветове чрез облъчване на определени зони за различно време, след това да се фиксира това състояние с помощта на триизмерна полимерна решетка и след това да се включва и изключва цвета на клетката с помощта на електрическо поле.
Науката и технологиите
Първата проба, получена в лабораторията, е доста обемиста и изисква голяма стойност на приложеното електрическо поле. Въпреки това, ранните устройства с течни кристали също консумираха твърде много енергия, имаха ограничен живот и лош контраст на изображението. Сега технологиите се подобриха значително и всички ги използваме с удоволствие. Възможно е клетката, създадена от руски химици, да стане прототип на още по-качествен и по-евтин LCD дисплей.
Алексей Бобровски обаче смята, че целта на работата на учените не е да доведат идеята до търговска реализация, а да проучат особеностите на самоорганизацията на течнокристалните полимери, разбирайки физическите основи и закономерности на влиянието на химическата структура върху техните свойства. Той се интересува повече от научната част на изследването, отколкото от приложната част: „Странно е, че много явления дори в нискомолекулни течни кристали, които изглеждат доста очевидни и вече познати, все още не са напълно разбрани.“ Няма съмнение, че изследването на течните кристални полимери, които са много по-млади от течните кристали с ниско молекулно тегло, ще открие още много неизследвани аспекти на тяхното физикохимично поведение.
Министерство на образованието и науката на Руската федерация
Казански (Поволжски) федерален университет
Химически институт. А. М. Бутлерова
Катедра по неорганична химия
Резюме по темата:
« Течнокристални полимери»
Работата завършена
ученик 714 група
Хикматова Г.З.
Провери работата
Игнатиева К.А.
Казан-2012.
Въведение…………………………………………………………………………………………………..3
1. Течни кристали…………………………………………………………………………..
1.1.История на откриването………………………………………………………………4
1.2. Видове кристална фаза…………………………………………………………………..7
1.3.Методи за изследване на течните кристали………………………..11
2. Течнокристални полимери…………………………………………………….13
2.1.Принципи на молекулярния дизайн на LC полимери…………...14
2.2. Основните видове течнокристални полимери……………………………….18
2.3.Структура и свойства на LC полимери..………………….….20
2.4. Области на приложение…………………………………………………………………..
2.4.1.Управление на електрическото поле – начин за получаване на тънкослойни оптични материали……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
2.4.2 Холестерични LC полимери - спектрално-зонални филтри и кръгови поляризатори…………………………………………………………………….23
2.4.3.LC полимери като контролирана оптично активна среда за записване на информация………………………………………………………….………………..24
2.4.4. Влакна със свръхвисока якост и самоусилена пластмаса…………………………………………………………………………………………….25
Използвана литература…………………………………………………………28
Приложение.
Въведение.
80-те години на миналия век в науката за полимерите бяха белязани от раждането и бързото развитие на нова област - химията и физиката на течнокристалните полимери. Тази област, която обединява синтетични химици, физици-теоретици, класически физикохимици, полимерни учени и технолози, прерасна в интензивно развито ново направление, което много бързо донесе практически успех в създаването на високоякостни химически влакна и днес привлича вниманието на оптици и специалисти по микроелектроника. Но основното не е дори това, а че течно-кристалното състояние в полимерите и полимерните системи, както се оказа, не само е изключително често срещано - днес са описани много стотици полимерни течни кристали - но също така представлява стабилно равновесие фазово състояние на полимерните тела.
В това дори има парадокс. През 1988 г. се навършват 100 години от описанието от австрийския ботаник Ф. Райницер на първото течно-кристално вещество холестерил бензоат. През 30-те години на миналия век се развива физиката на нискомолекулните органични течни кристали, а през 60-те години в света вече работят милиони устройства, базирани на тези кристали. Въпреки това, през 60-те и 70-те години на миналия век повечето учени по полимери не можеха да си представят, например, съществуването на термотропни течно-кристални полимери от холестеричен тип и като цяло подобни системи изглеждаха екзотични представители на атипични макромолекулни обекти. И всъщност през последните години се наблюдава своеобразна „експлозия“ на информацията и днес никой не се учудва от лиотропни и термотропни течнокристални полимери, синтезирани десетки пъти месечно.
В тази работа исках да говоря за това кога и как е открито състоянието на течните кристали, каква е уникалността на течните кристали в сравнение с други обекти, за течнокристалните полимери и защо са интересни и забележителни.
течни кристали.
Повечето вещества могат да съществуват само в три агрегатни състояния: твърдо, течно и газообразно. Чрез промяна на температурата на веществото, то може да се прехвърля последователно от едно състояние в друго. Обикновено се разглежда структурата на твърдите тела, които включват кристали и аморфни тела. Отличителна черта на кристалите е наличието на далечен ред и анизотропия на свойствата в тях (с изключение на кристалите с център на симетрия). В аморфните твърди тела съществува само ред на къси разстояния и в резултат на това те са изотропни. Редът на къси разстояния също съществува в течност, но течността има много нисък вискозитет, т.е. има течливост.
В допълнение към тези три агрегатни състояния на материята има и четвърто, наречено течен кристал.Той е междинен между твърдо и течно и се нарича още мезоморфно състояние. В това състояние може да има много голям брой органични вещества със сложни пръчковидни или дисковидни молекули. В същото време те се наричат течни кристалиили мезофаза.
В това състояние веществото има много характеристики на кристала, по-специално се характеризира с анизотропия на механични, електрически, магнитни и оптични свойства и в същото време те имат свойствата на течност. Подобно на течности те се стичат и приемат формата на съда, в който са поставени.
Според общите си свойства LC могат да се разделят на две големи групи. Наричат се течни кристали, които се образуват при промяна на температурата термотропен.Наричат се течни кристали, които се появяват в разтвори при промяна на концентрацията им лиотропен.
1.1. Течните кристали са открити през 1888 г. Австрийски професор по ботаника Ф. Райницер при изследване на ново вещество, синтезирано от него холестерил бензоат, който е естер на холестерола и бензоената киселина.
Той установи, че при нагряване до 145° кристалната фаза (бял прах) преминава в странна мътна течност, а при по-нататъшно нагряване до 179° се наблюдава преход в обикновена прозрачна течност. Той се опита да пречисти това вещество, тъй като не беше сигурен, че има чист холестерил бензоат, но въпреки това тези два фазови прехода бяха възпроизведени. Той изпрати проба от това вещество на своя приятел физик Ото фон Леман. Lehman се занимаваше с изучаването на обикновени кристали, включително пластмасови кристали, които са меки на допир, те са различни от обикновените твърди кристали. Основният метод на изследване беше поляризационна оптична микроскопия - това е микроскоп, при който светлината преминава през поляризатор, преминава през вещество и след това през анализатор - през тънък слой вещество. Когато се постави между поляризатор и анализатор на кристали на определено вещество, може да се видят текстури - характерни картини за различни кристални вещества - и по този начин да се изследват оптичните свойства на кристалите. Така се случи, че на Ото фон Леман беше помогнато да разбере каква е причината за междинното състояние, заблудата. Ото фон Леман беше сериозно убеден, че всички свойства на кристалните вещества, кристалите зависят единствено от формата на молекулите, тоест няма значение как са разположени в този кристал, важна е формата на молекулите. А в случая с течните кристали се оказа прав – формата на молекулите определя способността за образуване на течнокристална фаза (главно формата на молекулите). През 1888 г. Reinitzer пише, че има кристали, чиято мекота е такава, че могат да се нарекат течни, тогава Lehman написа статия за течните кристали, всъщност той измисли термина течни кристали. Установено е, че течните кристали са много много и играят важна роля в биологичните процеси. Те са например част от мозъка, мускулната тъкан, нервите, мембраните. Терминът "течни кристали", базиран на съвместното използване на две, в известен смисъл, противоположни думи - "течност" и "кристален", се е вкоренил добре, въпреки че терминът "мезофаза", въведен от френския физик Ж. Фридел тридесет години след откритието на F. Reinitzer, произлизаща от гръцката дума "mesos" (междинен), е, очевидно, по-правилно. Тези вещества са междинна фаза между кристалната и течната, появяват се по време на топенето на твърдата фаза и съществуват в определен температурен диапазон, докато при по-нататъшно нагряване се превърнат в обикновена течност. Важен исторически епизод: през 20-30-те години съветският физик Фредерикс изучава влиянието на различни магнитни и електрически полета върху оптичните свойства на течните кристали и открива важно нещо, че ориентацията на молекулите в течните кристали се променя много лесно при действието на външни полета, и тези полета са много слаби и промените са много бързи. От края на 60-те години започва бум в изучаването на течнокристални системи, течнокристални фази и това е свързано с факта, че те се научиха как да ги използват. Първоначално за информационни системи за дисплей в конвенционалните електронни цифрови часовници, след това в калкулаторите и с навлизането на компютърните технологии стана ясно, че течните кристали могат активно да се използват за направата на дисплеи. Естествено, подобен технологичен скок стимулира изучаването на течните кристали от гледна точка на фундаменталната наука, но трябва да се отбележи каква голяма времева разлика има между научните открития, свързани с течните кристали. Всъщност хората се интересуваха от тях от любопитство, нямаше утилитарен интерес, никой не знаеше как да ги използва и освен това в онези години (20-30-те години) теорията на относителността беше много по-интересна. Между другото, Фредерикс е популяризатор на теорията на относителността в Съветския съюз, след това е репресиран и умира в лагерите. Всъщност изминаха 80 години от откриването на течните кристали, докато се научиха как да ги използват.
1.2. В процеса на изследване на течните кристали бяха изяснени физическите причини за четвъртото агрегатно състояние на материята. Основната е несферичната форма на молекулите. Молекулите в тези вещества са удължени в една посока или дисковидни. Такива молекули са разположени или по определена линия, или в избрана равнина. Има три основни типа кристална фаза: нематичен(от гръцката дума "nema" - нишка), смектичен(от гръцката дума "smegma" - сапун), холестеричен.
В нематичните течни кристали центровете на масата на молекулите са разположени и се движат произволно, както в течност, а осите на молекулите са успоредни. По този начин далечният ред съществува само по отношение на ориентацията на молекулите. Всъщност нематичните молекули извършват не само транслационни движения, но и ориентационни вибрации. Следователно няма строг паралелизъм на молекулата, но има преобладаваща средна ориентация (фиг. 7.19).Амплитудата на ориентационните вибрации зависи от температурата. С повишаване на температурата се появяват все повече и повече отклонения от паралелизма в ориентацията, а в точката на фазов преход ориентацията на молекулите става хаотична. В този случай течният кристал се превръща в обикновена течност.
От най-голям интерес за практически приложения са веществата, които съществуват в нематичната мезофаза при стайна температура. Понастоящем, чрез приготвяне на смеси от различни вещества, нематиците се получават в диапазона от -20 до +80 градуса и дори в по-широк температурен диапазон.
За характеризиране на ориентационния ред в течните кристали обикновено се въвеждат два параметъра: директор и степен на ориентация ред, наричан още параметър на поръчката. Директорът е единичен вектор I, чиято посока съвпада с посоката на средната ориентация на дългите оси на молекулите. При нематичните течни кристали директорът съвпада с посоката на оптичната ос. Векторът I феноменологично характеризира далечния ред в подреждането на молекулите. Той само определя посоката на ориентация на молекулите, но не предоставя никаква информация за това колко перфектно е подреждането на мезофазата. Мярката за ред на ориентация на дълги разстояния е параметър на поръчка S,дефинирани както следва: S=1/2(3 ² θ -1) (*), където θ е ъгълът между оста на отделна молекула и директора на течния кристал. Осредняването в (*) се извършва за целия ансамбъл от молекули. Стойността S=1 съответства на пълен ориентационен ред, т.е. идеален течен кристал, докато S=0 означава пълно ориентационно разстройство и съответства на нематик, който е преминал в изотропна течност.
Холестерични течни кристалиТе получават името си от холестерола, защото в повечето случаи са холестеролни естери. В същото време, освен холестеролните естери, редица други вещества образуват холестеричната мезофаза. Молекулите на всички съединения, които образуват холестерик, съдържат асиметричен въглероден атом, свързан с четири ковалентни връзки с различни атоми или групи от атоми. Такива молекули не могат да се комбинират със себе си чрез проста суперпозиция, точно както лявата и дясната ръка. Те се наричат хираленмолекули (от старогръцкия "наследник" - ръка).
Холестеричните течни кристали, състоящи се от хирални молекули, са подобни по структура на нематиците, но имат фундаментална разлика. Състои се във факта, че за разлика от нематика, еднородната ориентация на молекулите в холестерика е енергийно неблагоприятна. Хиралните холестерични молекули могат да бъдат разположени успоредно една на друга в тънък монослой, но в съседния слой молекулите трябва да бъдат завъртени под някакъв ъгъл. Енергията на такова състояние ще бъде по-малка, отколкото при еднаква ориентация. Във всеки следващ слой директор I, който лежи в равнината на слоя, отново се върти под малък ъгъл. Така се създава спирално подреждане на молекулите в холестеричен течен кристал (фиг. 7.20). Тези спирали могат да бъдат както леви, така и десни. Ъгълът α между векторите I на съседните слоеве обикновено е стотни от пълен оборот, т.е. α≈1®. В този случай височината на холестеричната спирала Ре няколко хиляди ангстрьома и е сравнима с дължината на вълната на светлината във видимата част на спектъра. Нематичните течни кристали могат да се разглеждат като специален случай на холестерични течни кристали с безкрайно голяма стъпка на спиралата (Р→∞). Спиралното подреждане на молекулите може да бъде разрушено от електрическо или магнитно поле, приложено перпендикулярно на оста на спиралата.
Смектичните течни кристали са по-подредени от нематичните и холестеричните. Те са като двуизмерни кристали. В допълнение към ориентационното подреждане на молекулите, което е подобно на подреждането в нематиците, има частично подреждане на центровете на масата на молекулите. В този случай директорът на всеки слой вече не лежи в равнината на слоя, както при холестериците, а образува ъгъл с него.
В зависимост от естеството на подреждането на молекулите в слоевете, смектични течни кристали се разделят на две групи: смектици с неструктурнии смектици със структурни слоеве.
AT смектични течни кристали с неструктурни слоевецентровете на масата на молекулите в слоевете са разположени произволно, както в течност. Молекулите могат да се движат доста свободно по слоя, но центровете им на маса са в една и съща равнина. Тези равнини, наречени смектични, са разположени на еднакво разстояние една от друга, приблизително равно на дължината на молекулата. На фиг. 7.21 а показва подреждането на молекулите в такъв смектик. За смектичния течен кристал, показан на фигурата, директорът I и нормалата n към равнината съвпадат по посока. С други думи, дългите оси на молекулите са перпендикулярни на смектични слоеве. Такива течни кристали се наричат смектици А. На фиг. 7.21b е показан смектик с неструктурни слоеве, при който директорът не е насочен по нормалата към слоя, а образува определен ъгъл с него. Течните кристали с такова разположение на молекулите се наричат смектици C. В редица смектични течни кристали, има по-сложно подреждане, отколкото в смектиците А и С. Пример е смектикът F, детайлите на подреждането в който все още не са напълно разбрани.
AT смектици със структурни слоевевече се занимаваме с триизмерно статистическо подреждане. Тук центровете на масата на молекулите също лежат в смектични слоеве, но образуват двуизмерна решетка. Въпреки това, за разлика от кристалните вещества, слоевете могат свободно да се плъзгат един спрямо друг (както при други смектици!). Поради това свободно плъзгане на слоевете всички смектици се чувстват сапунени на допир. Оттук идва и името им (гръцката дума „smegma“ е сапун).В редица смектици има подреждане на центровете на масата на молекулите, което е същото като при смектици B, но ъгълът между директор I и нормален n към слоевете е различен от нула. В този случай се образува псевдохексагонално моноклинно подреждане. Такива смектици се наричат смектици H. Има и D смектици, които са близки до кубична структура с центрирана по тялото решетка. Сред новосинтезираните течни кристали има такива, които не могат да бъдат приписани на нематици, холестерици и смектици. Те обикновено се наричат екзотични мезофази. Те включват например т. нар. дисковидни течни кристали или дискотици, които се изучават интензивно.
1.3. Поляризиращата микроскопия е първият метод за изследване на течни кристали, тоест вече от картината, която изследователят наблюдава в поляризационен микроскоп на кръстосани поляризатори, може да се прецени каква мезофаза, какъв вид течнокристална фаза се образува. Това е типичната картина за нематична фаза, чиито молекули образуват само ориентационен ред. Ето как изглежда смектична фаза. Така че да си представите мащаба на всичко това, тоест той е много по-голям от молекулярния мащаб: ширината на картината е стотици микрони, тоест това е макроскопска картина, много по-голяма от дължината на вълната на видимата светлина. И като се анализират такива снимки, може да се прецени каква структура има. Естествено, има по-точни методи за определяне на структурата и някои структурни особености на тези мезофази - като методи като рентгенов дифракционен анализ, различни видове спектроскопия - това ни позволява да разберем как и защо молекулите са опаковани по един или друг начин.
Холестеричната мезофаза изглежда така - една от типичните картини.
С промяна на температурата се наблюдава промяна в пречупването, така че цветовете се променят, приближаваме се до прехода - и се наблюдава преход към изотропна стопилка, тоест всичко потъмнява, тъмна картина се вижда в кръстосаните поляризатори.
течнокристални полимери.
Течнокристалните (LC) полимери са високомолекулни съединения, способни при определени условия (температура, налягане, концентрация в разтвора) да преминат в LC състояние. LC състоянието на полимерите е равновесно фазово състояние, което заема междинна позиция между аморфното и кристалното състояние, поради което често се нарича още мезоморфно или мезофаза (от гръцки мезо - междинно). Характерните особености на мезофазата са наличието на ориентационен ред в подреждането на макромолекулите (или техните фрагменти) и анизотропията на физичните свойства при отсъствие на външни влияния. Много е важно да се подчертае, че LC фазата се образува спонтанно, докато ориентационният ред в полимера може лесно да бъде въведен чрез просто разтягане на пробата поради високата анизодиаметрия (асиметрия) на макромолекулите.
Ако полимерите преминават в LC състояние или мезофаза в резултат на термично действие (нагряване или охлаждане), те се наричат термотропни LC полимери, ако LC фазата се образува чрез разтваряне на полимери в определени разтворители, те се наричат лиотропни LC полимери.
Първите учени, които прогнозират възможността за образуване на мезофаза от полимери, са V.A. Каргин и П.Флори.
МОСКВА, 21 август - РИА Новости.Служители на Химическия факултет и Факултета по фундаментална физика и химия на Московския държавен университет на името на M.V. Ломоносов, в сътрудничество с чуждестранни колеги, синтезира и изследва нови светлочувствителни течни кристални полимери. Работата е извършена като част от проект, подкрепен от грант от Руската научна фондация, а резултатите от нея са публикувани в списанието Macromolecular Chemistry and Physics.
Учени от Московския държавен университет в сътрудничество с чешки колеги от Института по физика (Прага) са синтезирали и изследвали нови LC полимери, които съчетават оптичните свойства на течните кристали и механичните свойства на полимерите. Такива полимери могат бързо да променят ориентацията на молекулите под действието на външни полета и в същото време са в състояние да образуват покрития, филми и части със сложни форми. Важно предимство на такива системи пред течните кристали с ниско молекулно тегло е, че LC полимерите при стайна температура съществуват в стъкловидно състояние, което фиксира ориентацията на молекулите.
© Алексей Боблровски, Московски държавен университет
© Алексей Боблровски, Московски държавен университет
LC полимерите са съставени от молекули с високо молекулно тегло, наречени макромолекули. Те имат структура, подобна на гребен: чувствителни към светлина „твърди“ азобензенови фрагменти (C₆H₅N=NC₆H₅) са прикрепени към основната гъвкава полимерна верига посредством „разделяне“ на последователно свързани CH2 молекули. Тези фрагменти са склонни да бъдат подредени и могат да образуват различни видове "опаковки" - течнокристални фази. Когато такива полимери са изложени на светлина, азобензеновите групи се пренареждат, което води до промяна на оптичните свойства на полимерите. Такива полимери се наричат фотохромни.
Учените обърнаха специално внимание на процесите на фотоизомеризация и фотоориентация. Фотоизомеризацията е пренареждане на връзките в полимерна молекула под действието на светлина. Фотоориентацията е промяна в ориентацията на твърдите азобензенови (в този случай) фрагменти под действието на линейно поляризирана светлина, в чийто лъч е строго определена посоката на колебанията на електрическото поле. По време на циклите на фотоизомеризация под действието на поляризирана светлина азобензеновите фрагменти променят ъгъла си. Това се случва до момента, в който ориентацията им стане перпендикулярна на равнината на поляризация на падащата светлина и фрагментите вече не са в състояние да поглъщат светлината.
Първо, учени от Московския държавен университет, в сътрудничество с колеги от Института по физика на Академията на науките на Чешката република, синтезират мономери, от които в Московския държавен университет са получени LC полимери. Фазовото поведение и температурите на фазовите преходи на полимерите са изследвани от авторите с помощта на поляризационна оптична микроскопия и диференциална сканираща калориметрия. Подробната структура на фазите е изследвана чрез рентгенов дифракционен анализ във Факултета по фундаментално физико и химическо инженерство на Московския държавен университет.
© Руската академия на науките
© Руската академия на науките
Един от авторите на статията, професор на Руската академия на науките, доктор по химия, главен научен сътрудник на катедрата по високомолекулни съединения на Химическия факултет на Московския държавен университет на името на M.V. Ломоносов Алексей Бобровски: „Фотоизомеризацията и фотоориентацията отварят големи перспективи за създаване на така наречените интелигентни материали. Те реагират на различни външни влияния и могат да се използват за съхранение, запис и предаване на информация в оптични устройства с различна сложност. Тези конкретни полимери едва ли ще да бъдат използвани на практика", тъй като са твърде скъпи и синтезът им не е лесен. От друга страна, далеч не винаги е възможно да се предвиди кои системи, кога и как ще бъдат използвани", заключава ученият.