Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1 - Наталия Владимировна Каманина на лекции для студентов технического университета «ИТМО» - показ картины дифракции на фуллеренсодержащей тонкой пленке
Рис.2 - Фридрих Рейнитцер
Рис.3 - Первое жидкокристаллическое соединение – холестерилбензоат и диаграмма, иллюстрирующая температурную область существования ЖК-фазы. (Шибаев В.П., Необычные кристаллы или загадочные жидкости// СОЖ, 1996, No11, с.37–46.)

«Жидкие кристаллы прекрасны и загадочны, и поэтому я их люблю»

Ключевые слова:  жидкие кристаллы, интервью, периодика, фуллерены

Автор(ы): Гольдт Илья Валерьевич

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

03 сентября 2007

Ученые из Санкт-Петербурга готовы предложить уникальную технологию создания нового поколения жидкокристаллических дисплеев за счет модифицирования жидких кристаллов нанообъектами: фуллеренами и нанотрубками. О своих последний разработках поделилась с корреспондентом Нанометра руководитель лаборатории «Фотофизики фуллеренсодержащих сред и голографических технологий» Наталия Владимировна Каманина.



– Наталия Владимировна, не могли бы Вы коротко пояснить, что такое жидкие кристаллы и чем они примечательны?


– Со времени проведения первой Международной конференции по жидким кристаллам (ЖК), которая состоялась в 1965 г. в Кентском университете (США), связь этих систем с различными аспектами лазерной техники, информационными оптическими технологиями, термооптикой, медициной, дисплейными устройствами и системами, др. стала предметом оживленной полемики.

Действительно, ЖК, являясь уникальной мезоморфной (от греческого мезос - промежуточный) фазой вещества, сочетают в себе свойства как твердых тел (наличие дальнего ориентационного порядка и проявление брэгговской дифракции), так и жидкостей (проявление текучести, вязкости).

С точки зрения истории вопроса интересно, что само открытие промежуточного жидкокристаллического состояния вещества приписывается австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру (Рис. 2. ), который получил эфир холестерина – холестерилбензоат и обнаружил, что у этого соединения имеются две точки плавления, при которых происходят фазовые переходы разного характера (Рис. 3).

При 145.5 oС структура твердого холестерилбензоата разрушалась, он превращался в мутную жидкость (теперь мы говорим - жидкий кристалл), которая при дальнейшем нагревании до 178.5 становилась прозрачной (Рис.3.). Эти наблюдения показали, что у холестерилбензоата имеются три различные фазы: твердая, жидкокристалическая и жидкая. Рейнитцер описал свой эксперимент в статье, опубликованной в одном из химических журналов в 1888 г. Обращает на себя внимание необыкновенно деликатный слог письма, которое Рейнитцер написал немецкому физику Отто Леману: «... я осмеливаюсь просить Ваше высокоблагородие переслать Вам два вещества с просьбой по возможности более тщательно исследовать их физическую изомерию. Оба вещества (холестерилацетат и хо-лестерилбензоат) обнаруживают такие выдающиеся и красивые явления, что я надеюсь, это в какой-то мере заинтересует Вас. В связи с этим, а также из собственного …».

Вскоре Леман провел систематическое исследование органических соединений и нашел, что они по своим свойствам похожи на холестерилбензоат. Каждое из соединений вело себя как жидкость по своим механическим свойствам и как кристаллическое твердое тело – по оптическим свойствам. Леман показал, что мутная промежуточная фаза – это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» – Flussige Kristalle. Затем Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти соединения мезоморфными и разделил их на три класса. Соединения, имеющие свойства, схожие с мылами он назвал смектическими (толщина слоя в смектических ЖК порядка длины молекул и составляет 20 Å), далее шли нематические (нема – от греческого – нить) структуры, схожие со смектиками по своим оптическим свойствам, а затем – холестерические системы (в холестерических ЖК молекулы уложены в слои толщиной около 2000 Å), поскольку к ним относилось большое число производных холестерина. Заметим, что сам Фридель не считал холестерические ЖК отдельным классом и рассматривал их как нематические ЖК. (Драматическую историю открытия ЖК можно прочесть в статье А. С. Сонина, прим. ред.)

Интенсивное изучение ЖК началось в середине 30-х гг. прошлого столетия, в настоящее время эти системы продолжают детально исследоваться в силу своих уникальных фотоупругих, электрооптических и нелинейных оптических свойств. Рассматриваются различные способы их синтеза и тестирования, методы введения в различные фоточувствительные полимерные и наноструктурированные среды. Изучаются жидкокристаллические нематические, холестерические и смектические структуры, а также системы, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами. Важной доминантой в изучении фазового состояния ЖК, структурирования мезофазы является проведение их сенсибилизации («повышения чувствительности к определенным воздействиям») при использовании нанообъектов. В качестве последних используются фуллерены, нанотрубки, нановолокна, наночастицы, др. Исследуются структурные, химические, спектральные, фотопроводниковые, электрические, нелинейно-оптические свойства жидких кристаллов и нанокомпозитов на их основе; изучаются механизмы взаимодействия теплового излучения, магнитного и электрического полей, а также лазерного излучения широкого спектрального и энергетического диапазонов с данными системами. Определяются перспективы использования жидкокристаллических сред в качестве усилителей яркости изображения, перестраиваемых фильтров, дисплейных элементов нового поколения, быстродействующих переключателей, оптически управляемых и акустических модуляторов света, термодатчиков в различных областях науки, техники, биологии и медицины. Каждая из областей по-своему интересна и познавательна и требует определенных усилий для своего планомерного развития. Более подробно узнать о каждой из них можно ознакомившись с некоторыми публикациями нашей группы.

Стоит сказать, что специфическое применение ЖК в биологии и медицине обусловлено тем обстоятельством, что многие биологические структуры (хлоропласты, мышечная и нервная ткани, мембраны, зрительные рецепторы, др.) обладают жидкокристаллическими свойствами. При использовании понятия «жидкий кристалл» в биологии и медицине, как правило, их разделяют на термотропные и лиотропные ЖК. Представители обоих типов обладают полиморфизмом, т.е. жидкий кристалл, образованный из одного вещества (термотропный) или из смеси веществ (лиотропный), может существовать в нескольких жидкокристаллических фазах. Термотропные ЖК могут быть либо нематическими, либо смектическими. Термотропные ЖК образуются при нагревании некоторых твердых веществ. Молекулы таких органических соединений, которые при нагревании образуют жидкие кристаллы, имеют вытянутую форму. Отношение осей, обычно характерное для этих молекул, составляет (4-8):1 (т.е. предполагается, что молекула имеет форму почти цилиндра и его длина в 4–8 раз больше диаметра). Молекулярные веса термотропных соединений обычно лежат в интервале 200-500. Молекулы, образующие термотропные системы меньше молекул, лиотропных систем, хотя соотношение осей последних редко превосходит 15. Лиотропные ЖК, в отличие от термотропных, получают при смешивании двух или более компонентов, один из которых, например, вода, служит растворителем.

Имеется множесво комбинаций различных веществ, способных образовывать лиотропные ЖК. Наиболее распространенные лиотропные ЖК представляют собой водные растворы амфифильных веществ. В амфифильных молекулах есть как ионная группа, растворимая в воде, так и нерастворимая в воде органическая часть. Такие системы как липид–вода, липид–вода-белок являются лиотропными ЖК, они имеют большое биологическое значение, вода является неотъемлемой частью этих жидкокристаллических структур. В живых организмах примером такой системы может служить смесь лецитин–холестерин–соли желчных кислот–вода. Есть предположение, что живая клетка представляет собой жидкий кристалл. Так, в 30-х годах двадцатого века английский исследователь Джон Бернал писал: «…жидкий кристалл в клетке благодаря своей структуре становится прото-органом механической, химической и электрической активности, и, будучи ассоциирован в специализированных клетках высших животных, дает начало истинным органам, таким как мышца и нерв. Второе, и, возможно, более важное – это то, что ориентированные молекулы жидких кристаллов образуют идеальную среду для каталитического действия, в частности, действия сложного типа, способного обеспечить рост и воспроизведение…». По-видимому, это утверждение Бернала, действительно, небезосновательно. В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что роль жидкокристаллического состояния вещества в функционировании живых систем очень существенна.

Заканчивая краткий разговор по теме: «Что такое жидкие кристаллы?», хочется привести слова П.де Жена. В своей книге “Физика жидких кристаллов” французский физик-теоретик П. де Жен красноречиво написал: “Жидкие кристаллы прекрасны и загадочны, и поэтому я их люблю. Я надеюсь, что некоторые из читателей…испытают к ним то же влечение, помогут разгадать загадки и поставят новые вопросы”. Замечательные слова! Полностью с ними согласна, занимаясь ЖК уже в течение 25 лет.

– Как пришла идея использовать фуллерены для модификации жидких кристаллов?


– В 1998-1999 гг. я работала по приглашению в одном из американских университетов. Тема, по которой работала, не была напрямую связана с использованием или исследованием ЖК-состояния вещества. Однако, с собой привезла несколько мг своих систем, то есть ЖК, чистых и сенсибилизированных различными комплексами с переносом заряда, чтобы на хорошем оборудовании иметь возможность просмотреть изменение ряда параметров. Удалось просмотреть изменение температур фазовых переходов в ЖК при введении фуллеренсодержащих комплексов с переносом заряда. Оказалось, что наблюдается некоторое отличие термических свойств, определяемых по методу дифференциальной сканирующей калориметрии, а также ряд спектральных особенностей, в том числе и в ИК-области. По приезде домой, в Питер, продолжая заниматься нелинейными оптическими и динамическим свойствами органических систем, измерила временные характеристики и сенсибилизированных нанообъектами ЖК-ячеек при изучении эффекта Фредерикса и высокочастотного эффекта Керра. Обнаружился факт: эти времена существенно лучше у структур с фуллеренами, чем без таковых. И лучше на порядок! Также были изучены нелинейно- оптические свойства, а именно изменение светоиндуцированного показателя преломления. Так, изменение показателя преломления (наведенная лазерным излучением оптическая анизотропия на уровне 10-3, что выше термически наведенного изменения показателя преломления на уровне 10-5) существенно превышало этот же параметр, наблюдаемый для «чистых» систем. Была набрана статистика по изменению параметра порядка, температуры фазового перехода, временам включения, выключения электрооптического отклика, были изучены различные виды фуллеренов и их смесей в качестве эффективных сенсибилизаторов спектральных, фотопроводниковых, нелинейно-оптических и динамических свойств ЖК, различные виды донорных молекул, образующих комплексы с переносом заряда с фуллеренами, исследованы различные виды рельефов для укладки молекул ЖК, др.

Мои коллеги в Государственном оптическом институте, в университете, политехническом университете, физико-техническом институте, ЛЭТИ, ЛИТМО, в Черноголовке, Москве, Новосибирске, Саратове, др., а также за рубежом помогали мне во всем. Благодарна им за помощь и внимание.

Основное физическое объяснение полученному эффекту было дано в статье в журнале "Успехи физических наук" (т. 175, № 4, с. 445-454 (2005)).
На сегодня могу сказать: введение нанообъектов существенно улучшают практически важные динамические свойства электрооптической жидкокристаллической фазы вещества. Основная идея связана с созданием дополнительного дипольного момента и увеличением локальной поляризуемости единицы объема среды при введении наноструктур, в том числе и биообъектов, каковыми, например, могут быть клетки крови человека (эритроциты), зарядовая оболочка последних постоянно изменяется в связи с трансформацией протеинов внутри клетки. Известно, что поляризованной системой легко и более быстро можно управлять! Возможно, что может быть предложено другое физическое обоснование полученному физическому эффекту, однако сам эффект уже открыт и его первое объяснение уже дано.

- И чем же интересны такие системы, какие перспективы сулит использование данных систем?


- Перспективы крайне интересны и заманчивы:

  • Это новые ЖК-дисплейные элементы, где требуется высокое быстродействие, существенно превышающее телевизионный стандарт (например, устройства с очками для людей, страдающих косоглазием, др.),
  • быстродействующие пространственно-временные модуляторы света для коррекции амплитудно-фазовых аберраций, обращения волнового фронта, др.,
  • шторки для защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов, врачей при использовании лазерного излучения в хирургии, визуализаторы изменения конфигурации клеток крови человека, например, эритроцитов (экспресс-диагностика клеток крови).
  • Это новые телевизоры и компьютерные дисплеи, поскольку введение нанообъектов создает и некую цветовую гамму в ЖК, несвойственную чистым материалам.

Необыкновенно много интересных применений может быть найдено по ходу классических экспериментов с сенсибилизированными ЖК-структурами.

- Какие еще группы в Российской Федерации и за рубежом занимаются этой тематикой, и какие результаты им удалось получить?


- Многие мои коллеги занимаются как самими ЖК, так и сенсибилизированными ЖК-составами. Аспектов применения и исследования настолько много, что ограничусь здесь медицинскими применениями ЖК: наиболее интенсивно ЖК для медицинских применений изучаются в следующих научных центрах РФ и ближнего зарубежья:

  1. Иваново. Проблемная лаборатория жидких кристаллов. Руководитель лаб. Профессор Надежда Васильевна Усольцева. В 1994 г. вышла книга: Н.В. Усольцева. Лиотропные жидкие кристаллы: химическая и надмолекулярная структура. Иваново, ИвГУ, 1994. 220 с.
  2. Лаборатория оптических методов диагностики газовых потоков Института Теоретической и Прикладной Механики СО РАН, г. Новосибирск. Занимаются Жидкокристаллическими термоиндикаторами: Визуализация невидимых ИК- и СВЧ-излучений; диагностика воспалительных очагов в медицине и ветеринарии; изготовление бытовых и медицинских термометров.
  3. Национальная Академия Наук Беларуси, Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого, Белорусский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии. Разработали и представили новую концепцию смазки суставов, согласно которой низкое внутрисуставное трение достигается благодаря жидкокристаллическому состоянию синовиальной жидкости в зоне контакта суставных хрящей, индуцированному присутствием в ней холестерических жидких кристаллов.
  4. Военно-медицинская Академия и институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург – для диагностики опухолей. Если нанести ЖК-вещества на какую-либо поверхность, то на ней его молекулы сориентируются определенным образом, причем если поверхность неоднородна, то на разных ее участках молекулы "выстроятся" по-разному.
  5. Множество других научных центров по России и за рубежом.

Что касается сенсибилизированных ЖК-систем, то данные нижеприведенной таблицы могут обозначить как группы зарубежных исследователей, так и получаемые ими результаты, например, по временам переключения ЖК.




В статье использованы материалы: ГОИ им. С.И. Вавилова, Нанометра


Средний балл: 9.7 (голосов 3)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Сателлит
Сателлит

В гостях у Натальи Сомовой, победителя конкурса «Просто о сложном – светодиодные технологии»
Репортаж о визите оргкомитета Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям к Н.Ю. Сомовой, победителю конкурса "Просто о сложном" в категории "светодиодные технологии" и популяризатору науки среди школьников.

О самой яркой восходящей звезде на небосклоне российской образовательной действительности...
О звездном Сириусе замолвили слово... Просто первые позитивные ощущения. Этой замечательной идее, материализованной в уникальном проекте федерального уровня, будущее не грозит разрушением, а как говорил наш великий соотечественник, только развитие и надстройка обещаются... Удачи и в путь!

В июле в Москве появится NANO-Город
23-24 июля 2016 года в московском центре архитектуры и дизайна ARTPLAY (павильон №7, малый зал) пройдёт фестиваль NANO-Город. Цель проекта – популяризация науки и высоких технологий.

СТО АСМК.021МУ-2015 и добавленная стоимость инноваций: как не споткнуться на рынке интеллектуальной собственности
Зорина Юлия Геннадьевна (эксперт-аудитор по интеллектуальной собственности), Парвулюсов Юрий Юрьевич (вице-президент фонда «ФИНАС»), Розов Денис Викторович (руководитель правового управления оборонного предприятия), Фокин Геннадий Васильевич (председатель технического комитета по стандартизации и депозитарий стандартов профессионального менеджмента интеллектуальной собственности серии «Интеллектуальная собственность и инновации»), +7(495)4904726, +7(985)0234384, +7(916)2050579, gvf@finas.su, www.finas.su
Правовой нигилизм и пренебрежение правовыми нормами гражданского оборота интеллектуальной собственности, искажение учета нематериальных активов (несоответствие первичной документации требованиям пункта 3 ПБУ 14/2007) и отсутствие эффективной системы документооборота менеджмента интеллектуальной собственности — грозят упущенной выгодой и административными, налоговыми, уголовными правонарушениями. Как поправить положение?

Форум тьюторов (1 часть)
Асмолова Екатерина
6 и 7 февраля 2016 года в рамках мероприятий X Всероссийской олимпиады школьников «Нанотехнологии – прорыв в будущее!» проходила Открытая Нанотехнологическая Школа-конференция для школьников, студентов и преподавателей. Представляем Вашему вниманию краткий фототчет Форума Тьюторов.

Лекция 10. Переходные металлы
Еремин Вадим Владимирович

Лекция 9. Элементы XV (V A) группы
Еремин Вадим Владимирович

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.

Проекты или прожекты?

Проектная деятельность школьников становится все более популярной, фактически превращается в "обязаловку" для школ и их воспитанников. При этом, что это такое и как с этим быть, знают не очень многие. Этот небольшой опрос ставит себе целью оценить, как сейчас понимаются вопросы проектной деятельности всеми потенциальными участниками этого непростого процесса.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.