Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

Сегодня аморфные вещества претерпели значительные изменения. Стеклосмазки никак не похожи на лабораторную посуду, но по внутреннему строению материал в обоих случаях одинаков. Помимо настоящих стекол и материалов на их основе, сегодня получают металлические стекла. Правильнее их называть аморфными металлическими сплавами (АМС). Ранее сообщалось, что вещество переходит в агрегатное состояние при быстром охлаждении, когда вязкость нарастает быстрее, чем успевает установиться кристаллический порядок.

Если простое стекло самостоятельно приобретает аморфную структуру при остывании на воздухе, то другие вещества и материалы приходится остужать искусственным путем, в специальных условиях. Точно таким же образом удается из вязкого расплава получать аморфные металлы. К сожалению, превратить в стекло чистый металл технически невозможно. Зато некоторые сплавы переходят в аморфное состояние при быстром охлаждении.

Скорость такого охлаждения чудовищно высока. Она достигает порядка 1 млн °С в секунду. Естественно, процесс длится считанные доли секунды, поскольку иначе бы конечная температура сплава упала ниже абсолютного нуля, а это невозможно. Изготовление АМС невероятно сложно, однако эти материалы привлекают своими замечательными качествами. Такие сплавы почти не имеют магнитных потерь, а потому применяются в производстве трансформаторов, записывающих головок видео- и аудиотехники.

Все знают, что генетический код человека и прочих живых существ закодирован в последовательности атомов молекулы ДНК (подробнее о наследственности и генетике рассказано в главе 9). Но мало кто подозревает, что ДНК имеет что-то общее с плоским телевизором, с индикатором от часов, с устройствами визуализации в термометрии, термографии, медицине, технике отображения электронной информации или, наконец, с «перстнем настроения», который показывает, какое настроение у его хозяйки. И тем не менее все перечисленные устройства работают на материалах, которые, подобно ДНК, пребывают в жидкокристаллическом состоянии.

Удивительно, но биологи и химики принесли физике немало пользы, хотя единство всех наук было фактически признано лишь в начале XX в. И лишь за последние 50 лет ученые убедились в плодотворности сотрудничества специалистов из разных областей знания. Наиболее впечатляющие (001 открытия почти всегда совершались на стыке совершенно различных наук. Так получилось и на сей раз. Честь открытия жидких кристаллов принадлежит австрийскому ботанику Рейнитцеру. В 1888 г. он проводил исследования нового сложного соединения, которое сам же синтезировал, — холестерилбензоата.

Это вещество существовало в нормальных условиях в кристаллической форме и плавилось только при высоких температурах. Вот здесь-то и заключался главный парадокс. Стоило нагреть кристаллики до +145 °C, как вещество немедленно плавилось. Однако дальнейший нагрев жидкости приводил к еще более удивительным превращениям. Мутная и вязкая, обладающая высоким рассеянием световых лучей, она полностью преображалась при температуре +179 °C. Стоило ботанику настолько подогреть жидкость, как она становилась прозрачной и водянистой на вид.

Промежуточное состояние между кристаллическим и нормальным жидким получило в дальнейшем название мутной фазы. Заинтригованный Рейнитцер провел исследование мутной фазы под микроскопом, в результате чего выявил двойное лучепреломление вещества. При этом двупреломления не наблюдалось в обычной жидкости холестерилбензоата, да и не могло наблюдаться. Ведь оно является свойством, присущим настоящим кристаллическим телам. Данный эффект возникает благодаря строгой ориентации молекул вещества, вызывающей поляризацию световых волн — их предпочтительное движение в заданной плоскости относительно т. н. оптической оси кристалла.

Ботаник не догадался о совершенном им открытии, но предположил, что в мутной жидкости оставались мелкие нерасплавившиеся кристаллики, не различимые под микроскопом. Лишь дальнейшие исследования необычной фазы, проведенные в прошлом столетии, позволили развеять все сомнения. Выяснилось, что научный мир столкнулся с новым агрегатным состоянием вещества, промежуточным между жидким и твердокристаллическим.

Жидкокристаллическая фаза свойственна далеко не всем веществам, но только органическим соединениям, характеризующимся крупными и массивными молекулами со структурой высокой степени сложности. Фаза приходится на небольшой интервал температур от температуры плавления настоящего кристалла до температуры перехода вещества в настоящую жидкость. Жидкий кристалл текуч и легко принимает форму сосуда.

Одновременно он обладает упорядоченным молекулярным строением: его частицы строго выстроены относительно друг друга и демонстрируют свойство определенной пространственной ориентации. На первый взгляд такое невозможно, поскольку порядок подразумевает наличие кристаллической решетки. Это устойчивая система, в узлах которой расположены центры масс молекул. Она жестко связывает молекулы и тем самым не допускает текучести вещества.

Откуда взялись противоположные качества у одного вещества? Дело в том, что жидкие кристаллы полностью лишены кристаллической решетки. Их порядок строгий, но не жесткий. Закрепления в определенных точках относительно друг друга не происходит, отчего в некоторых областях кристалла наблюдается небольшой беспорядок. Он-то и обеспечивает свойство текучести жидкого тела. Вместе с тем предпочтительная ориентация молекул обусловливает типично кристаллическую характеристику веществ в данном агрегатном состоянии, каковой является анизотропия.

Под анизотропией в физике понимается разделение физических свойств по направлениям. То есть физические свойства проявляют себя в одном направлении и не проявляют или проявляют иначе в другом. Таким образом, внутри всякого кристаллического тела есть предпочтительное направление свойств упругости, диэлектрической проницаемости, электропроводности, оптических свойств и др. Жидкие кристаллы анизотропны, равно как и настоящие твердые тела.

Вместе с тем уникальное агрегатное состояние обладает качествами, не типичными для остальных фаз вещества. В первую очередь обращает на себя внимание зависимость оптических свойств жидких кристаллов от условий окружающей среды.

Ученые различают несколько типов структурной организации жидких кристаллов: нематические кристаллы, смектические, холестерические и дискотические. Кристаллы с соответствующим строением называются нематиками, смектиками, холестериками и дискотиками, причем первые представляют собой наиболее простой по строению тип веществ данной фазы. Дискотики обладают молекулами в форме дисков, а остальные имеют молекулы-стержни.