Հեղուկ բյուրեղներ

Հեղուկ բյուրեղներ, մեզոմորֆ ֆազեր, նյութի վիճակներ, որոնք մեխանիկական և սիմետրիայի հատկություններով միջանկյալ տեղ են գրավում ամորֆ հեղուկների և բյուրեղային պինդ մարմինների միջև։ Հայտնագործել է ավստրիացի բուսաբան Ֆ. Ռայնետցերը (1888)։ Տարբերում են թերմոտրոպ և լիոտրոպ հեղուկ բյուրեղներ։ Առաջինները մաքուր նյութեր են, որոնք մեզոմորֆ վիճակում են գտնվում միայն ջերմաստիճանի որոշակի միջակայքում։ Օրգանական որոշ նյութեր, օրինակ, հալման պրոցեսում նախքան իզոտոպ հեղուկ ֆազին անցնելը, փոխարկվում են այնպիսի միջանկյալ ֆազի, որում նրանք հեղուկների պես հոսուն են և բյուրեղների նման օժտված են օպտիկական անիզոտրոպ հատկություններով (պարաազօքսիանիզոլը 114-135 °C-ի միջակայքում, ազօքսիբենզոյական թթվի էթիլ եթերը՝ 100-120 °C, խոլեսթերինի պրոպիլ եթերը՝ 102-116 °C են)։ Լիոտրոպ հեղուկ բյուրեղներ են հիմնականում օրգանական նյութերի՝ մակերևութային ակտիվ նյութերի, մոլեկուլների դասավորության բնույթը նեմատիկներում և սմեկտիկներում պոլիմերների, լիպիդների, սինթետիկ պոլիպեպտիդների լուծույթները խիստ որոշակի լուծիչներում։ Հեղուկ բյուրեղներ են գոյացնում այն նյութերը, որոնց մոլեկուլները կամ դրանց խմբերը խիստ ձգված են և սովորաբար ունեն փայտիկների, երկար պարուրաձողիկների կամ ձգված թիթեղիկների ձև։ Հայտնի է հեղուկ բյուրեղների երկու հիմնական տեսակ՝ նեմատիկներ և սմեկտիկներ։ Նեմատիկները բնորոշվում են մոլեկուլների երկայնական առանցքների որոշակի ուղղվածությամբ, լայնական առանցքների կարգավորվածությունը բացակայում է։ Այդ պատճառով էլ դրանք օպտիկական միառանցք միջավայր են և մածուցիկությամբ քիչ են տարբերվում նյութի ամորֆ վիճակից։ Տարածական կարգավորվածության բացակայությունն էլ հենց ապահովում է մոլեկուլների համընթաց շարժման ազատությունը, հետևաբար և՝ նեմատիկների հոսունությունը։ Սմեկտիկները տարածական կարգ ունեն միայն մեկ ուղղությամբ։ Դրանք շերտավոր կառուցվածքներ են և կազմում են իրար վրա դասավորված ու մեկը մյուսից հավասար հեռավորությամբ բաժանված երկչափ շերտերի խմբեր։ Հեղուկ բյուրեղների մեկ ուրիշ տեսակում՝ խոլեսթերիկներում, ևս բացակայում է տարածական կարգավորվածությունը։ Դրանք (օրինակ, խոլեսթերինի պրոպիլեթերը) նույնպես պարբերական շերտավոր կառուցվածքներ են, ընդ որում, մոլեկուլների կողմնորոշման ուղղությունը շերտից շերտ փոխվում է պարուրաձև, տեսանելի լույսի ալիքի երկարության արժեքին մոտ քայլով $(\approx 3000A)$ ։ Շերտերի պարբերականությունը բերում է տեսանելի լույսի բրեգյան անդրադարձման։ Անդրադարձվող լույսի ալիքի երկարությունը (գույնը) կախված է պարույրի քայլից, իսկ վերջինս խիստ զգայուն է ջերմաստիճանի աննշան փոփոխությունների նկատմամբ։ Հեղուկ բյուրեղների և մասնավորապես խոլեսթերիկների արտաքին ազդեցությունների նկատմամբ զգայուն անիզոտրոպ ֆիզիկական հատկություններն ու ջերմաստիճանից կախված գունափոխության հատկությունը լայն կիրառություն են գտել ինչպես բժշկության մեջ (կտրվածքներ և ուռուցքներ հայտնաբերելու համար), այնպես էլ տեխնիկայի բազմաթիվ բնագավառներում (թվային և տառային ինդիկատորներում, միկրոշղթաներում տաք կետերը գտնելու, ինֆրակարմիր ճառագայթները տեսանելի դարձնելու համար և այլն)։ Կիրառական մեծ հետաքրքրություն են ներկայացնում նաև լիոտրոպ հեղուկ բյուրեղները։ Պարզված է, որ կենսաբանական մի շարք համակարգերի (մասնավորապես թաղանթների) ֆիզիկաքիմիական ու կենսաբանական ֆունկցիաները պայմանավորված են դրանց հեղուկ բյուրեղական վիճակով։ Հաստատված է, որ մոլեկուլում չհագեցած կապեր պարունակող մի շարք հեղուկ բյուրեղների պոլիմերմամբ կարելի է ստանալ հեղուկ բյուրեղական հատկություններով օժտված պոլիմերներ։

Հեղուկ բյուրեղների դասակարգումը և կիրառությունները

Հեղուկ բյուրեղական կոչվում է նյութի այնպիսի վիճակը, որը օժտված է պինդ բյուրեղի և հեղուկի միջանկյալ կառուցվածքային հատկություններով։ Հեղուկ բյուրեղները հոսուն են։ Նրանց յուրօրինակ հատկությունները, որոնք բնութագրական են ինչպես հեղուկների, այնպես էլ բյուրեղներ համար, պայմանավորված են ներքին՝ մոլեկուլյար կառուցվածքով։ Հեղուկ բյուրեղական միջանկյալ փուլը (մեզոփուլը) որոշ նյութերում դիտվում է, երբ պինդ բյուրեղը տաքացնում են մինչև որոշակի ջերմաստիճան։ Այդպիսի հեղուկ բյուրեղներն ընդունված է անվանել թերմոտրոպ։ Գոյություն ունեն նաև այսպես կոչված լիոտրոպ հեղուկ բյուրեղներ։ Դրանք ձևավորվում են հեղուկում պինդ բյուրեղների լուծման պրոցեսում։ Թերմոտրոպ հեղուկ բյուրեղների դասակարգումն իրականցրել է Ֆրիդելը, հիմնվելով բևեռացումային մանրադիտակով հեղուկ բյուրեղի բարակ թաղանթների ուսումնասիրությունների վրա։ Համաձայն նրա դասակարգման, հեղուկ բյուրեղները լինում են նեմատիկ և սմեկտիկ։ Իրենց հերթին նեմատիկները նա բաժանել է երկու խմբի` նեմատիկների և խոլեստերիկների։ Նա դա արել է հիմնվելով այն փաստի վրա, որ գոյություն չունեն թերմոտրոպ մեզոգեն նյութեր, որոնք ունենան միաժամանակ նեմատիկ և խոլեստերիկ փուլեր։

Սմեկտիկ հեղուկ բյուրեղներում մոլեկուլները դասավորված են շերտերով և ծանրության կենտրոնը գտնվում է այդ շերտերում։ Սմեկտիկ հեղուկ բյուրեղներում, կողմնորոշումային կարգավորվածության հետ մեկտեղ, առկա է նաև դիրքային որոշակի կարգավորվածություն` մոլեկուլները դասավորված են շերտերով այնպես, որ շերտի ներսում նրանց զանգվածների կենտրոնները կրկին բաշխված են քաոսայնորեն, սակայն մի շերտից մյուսն անցնելը խիստ դժվարացված է։ Նեմատիկ հեղուկ բյուրեղներում մոլեկուլները ձգտում են իրենց հարևան մոլեկուլներին կողմնորոշել իրենց երկար առանցքներին զուգահեռ։ Ամենաբարդ մոլեկուլները համակցված են խոլեստերիկներում քանի որ ֆորմուլացվում են միայն քիրալային կամ էլ նման մոլեկուլների փոքր խմբերով, որոնք ավելանում են նեմատիկ հեղուկ բյուրեղներում։ Ընդհանուր առմամբ քիրալությունը (հունական cheir- ձեռք բառից), դա օբյեկտի՝ իր հայելային արտապատկերման հետ անհամատեղելի լինելու հատկությունն է։ Քիրալային միացումները հնարավոր չէ մեկը մյուսի հետ փոխատեղել փոխարինվողների ներքին պտույտներով։ Այդպիսի քիրալային համաչափություն ունեն նաև մարդու աջ և ձախ ձեռքերը։ Քիրալային են սովորաբար լինում այնպիսի մոլեկուլները, որոնցում կան օրինակ ածխածնի ատոմներ։ Քիրալային իզոմերներում միանման են քիմիական և ֆիզիկական հատկությունները։ Տարբեր կերպ են դրսևորվում միայն հարթ բևեռացված լույսի նկատմամբ, ինչից էլ ստացել են իրենց անվանումը՝ օպտիկապես ակտիվ կապեր։ Խոլեստերիկները իրենց կառուցվածքով հիմնականում հիշեցնում են նեմատիկների` մոլեկուլները նրանց մեջ դասավարված են այնպիսի բարակ շերտերով, որ իրենց երկար առանցքները զուգահեռ են մեկը մյուսին և դիտվում է կողմնորոշված կարգավորվածությամբ։ Սակայն հեղուկ բյուրեղի մոլեկուլում անհամաչափ ատոմների առկայությունը հանգեցնում է նրան, որ հաջորդ շերտի մոլեկուլը շրջի ոչ մեծ α անկյունով։ Այս անկյունը շատ փոքր է (0,05° - 0,5°), բայց արդյունքում ստացվում է պարուրաձև կառուցվածք, որում հարևան շերտերի միջև հեռավորությունը մոտավորապես հավասար է մոլեկուլի հաստությանը։ Եթե շարժվենք պարույրի առանցքի երկարությամբ, ապա որոշակի ժամանակահատված հետո մոլեկուլների կողմնորոշված դասավորությունը կդառնա նույնը, ինչպես սկզբում։

Հեղուկ բյուրեղների խմբերը

Հեղուկ բյուրեղները բաժանվում են երկու մեծ խմբի՝

Թերմոտրոպ ՀԲ, որոնք ձևավորվում են պինդ նյութի տաքացման հետևանքով և գոյություն ունեն ջերմաստիճանի ու ճնշման որոշակի ինտերվալում։
Լիոտրոպ ՀԲ, որոնք իրենցից ներկայացնում են երկու կամ ավելի բաղադրիչներից բաղկացած համակարգեր, և որոնցում հեղուկ բյուրեղը պինդ նյութից կամ իզոտրոպ հեղուկից ստացվում է այդ բաղադրիչներից որևէ մեկի կոնցենտրացիայի փոփոխման միջոցով։

Թերմոտրոպ ՀԲ-ները բաժանվում են երեք մեծ խմբի՝ նեմատիկ, սմեկտիկ, խոլեստերիկ։

Նեմատիկ հեղուկ բյուրեղներ

Նեմատիկ հեղուկ բյուրեղներում մոլեկուլների ծանրության կենտրոնների համար հեռավոր կարգը բացակայում է, սակայն գոյություն ունի կողմնորոշումային կարգավորվածություն։ Նեմատիկ ՀԲ-ի մոլեկուլները ազատ կարող են տեղաշարժվել իրենց երկար առանցքների ուղղությամբ՝ պտտվելով այդ առանցքների շուրջ։ Մոլեկուլների երկար առանցքների կողմնորոշման գերադասելի ուղղությունը, որը որոշվում է արտաքին պայմաններով, կոչվում է նեմատիկի դիրեկտոր։ Այսպիսով կարելի է ասել, որ նեմատիկ հեղուկ բյուրեղը միառանցքանի բյուրեղ է, որի առանցքը ուղղված է նեմատիկի դիրեկտորի ուղղությամբ և, ի տարբերություն սովորական բյուրեղների, այն հեշտությամբ կարելի է կառավարել արտաքին ազդեցությունների միջոցով։

Սմեկտիկ հեղուկ բյուրեղներ

Սմեկտիկ հեղուկ բյուրեղները ավելի կարգավորված են, քան նեմատիկները։ Նրանք ունեն շերտավոր կառուցվածք։ Շերտերը կարող են ազատ տեղաշարժվել իրար նկատմամբ, սակայն նեմատիկի մոլեկուլները չեն կարող անցնել շերտից շերտ։ Յուրաքանչյուր շերտի հաստությունը մեկ մոլեկուլի երկարության կարգի է, ընդ որում շերտի ներսում մոլեկուլներն ունեն կողմնորոշումային կարգավորվածություն։ Տարբերվում են սմեկտիկ հեղուկ բյուրեղների մի քանի տեսակներ՝ A, B, C: A սմեկտիկներում մոլեկուլների երկար առանցքները ուղղահայաց են սմեկտիկի շերտերին։ B տիպի սմեկտիկում յուրաքանչյուր շերտի ներսում գոյություն ունի մոլեկուլների դասավորության հեռավոր դիրքային կարգ։ A և B փուլերը օպտիկապես միառանցք են։ C սմեկտիկում մոլեկուլների երկար առանցքները որոշակի անկյան տակ թեքված են սմեկտիկ հարթությունների նկատմամբ։ Այս հեղուկ բյուրեղները օպտիկապես երկառանցք են։

Խոլեստերիկ հեղուկ բյուրեղներ

Խոլեստերիկ հեղուկ բյուրեղները (ԽՀԲ) տեղայնորեն շատ նման են նեմատիկներին։ ԽՀԲ-ի մոլեկուլները ձգտում են իրենց հարևանների նկատմամբ պտտվել որոշակի փոքր անկյամբ, ինչի շնորհիվ էլ խոլեստերիկ հեղուկ բյուրեղները ունեն պարուրաձև կառուցվածք։ Առանձին հարթություններում ԽՀԲ-ը նույն նեմատիկ բյուրեղն է։ Խոլեստերիկի մոլեկուլները այդ հարթություններում իրենց երկար առանցքներով միջինում դասավորվում են մի ընդհանուր ուղղությամբ՝ դիրեկտորով։ Մի հարթությունից մյուսին անցնելիս ԽՀԲ-ի դիրեկտորը պտտվում է՝ ձևավորելով պարուրաձև կառուցվածք, ընդ որում յուրաքանչյուր հարթության մեջ մոլեկուլների երկար առանցքները ուղղված են պարույրի z առանցքին ուղղահայաց։ Դիրեկտորի՝ մի հարթությունից մյուսին անցնելու ժամանակ, ուղղության պտույտը կարելի է նկարագրել հետևյալ հավասարումների համակարգով՝

${\begin{aligned}n_{x}=cos({\frac {2\pi z}{P}})\qquad &n_{y}=sin({\frac {2\pi z}{P}})\qquad &n_{z}=0\end{aligned}}$

որտեղ P-ն այն տարածությունն է, որի վրա դիրեկտորը պտտվում է 360°-ով , և կոչվում է խոլեստերիկ հեղուկ բյուրեղի քայլ։

ԽՀԲ-ները դասակարգում են ըստ պարույրի պտույտի ուղղության, կամ խիրալության` աջ, եթե ԽՀԲ ուղղորդի ծայրակետի պտույտի ուղղությունը համապատասխանում է աջ պտուտակի կանոնին, կամ ձախ, եթե ԽՀԲ ուղղորդի ծայրակետի պտույտի ուղղությունը համապատասխանում է ձախ պտուտակի կանոնին։

Գրականություն

Ռ. Ս. Հակոբյան “Հեղուկ բյուրեղների ֆիզիկա”, 2000
L.M. Blinov and V.G. Chigrinov Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials. — Springer, 1994
P.G. de Gennes and J. Prost The Physics of Liquid Crystals. 2nd Edition — Clarendon Press, Oxford, 1993
Л. М. Блинов Жидкие кристаллы: Структура и свойства. — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. — 480 с.

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից (հ․ 6, էջ 348)։