Polimery ciekłokrystaliczne. Czytaj bezpłatnie online w formie elektronicznej. Temat. Stany fizyczne polimerów. Polimery krystaliczne, amorficzne i ciekłokrystaliczne Stan ciekłokrystaliczny polimerów

CIEKŁOKRYSTALICZNE POLIMERY CIEKŁOKRYSTALICZNE V. P. SHIBAEV POLIMERY Z. i. taEDTSZ Główne zasady syntezy ciekłego kryształu LP w EUTNU‚TNLI „UTY‰‡ TЪ‚VMM˚I YML‚V TLVI. e.Z. GUPUMUTU‚ polimery taline (LC) łączące w sobie unikalne właściwości optyczne ciekłych kryształów i makrocząsteczek. Czym są polimery, najwyraźniej wszyscy teraz sobie wyobrażają, i rozważa się niezwykłe związki – połączenie słów „polimer ciekłokrystaliczny – czerwony”. Szczególna uwaga jest zrozumiała być może tylko dla specjalistów. Jednak to właśnie te związki przykuły w ostatnim czasie uwagę badaczy różnego rodzaju pasywnych pól optycznych, zajmujących się chemią pierwiastków wielkocząsteczkowych, związków elektrycznie względnych oraz fizyką ciała stałego, ośrodkami skrystalizowanymi. chemii kryształów, biologii i medycyny, a także specjaliści z branży elektronicznej, systemów magazynowania i technologii materiałów polimerowych. a także tworzenie polimerów ciekłokrystalicznych (LC) to włókna o superwysokiej wytrzymałości, związki wielkocząsteczkowe zdolne do, w warunkach plastycznych i samowzmacniających się (temperatura, ciśnienie, stężenie w roztworze), przekształcające się w sotyki LC otrzymywane na stan podstawowy. Stan LC polimerów jest równy - polimerów LC. nowy stan fazowy, zajmujący pozycję pośrednią pomiędzy stanem amorficznym a krystalicznym, dlatego nazywany jest także mezomorficznym lub mezofazowym (od MU, M˚V F LMˆLF˚ TLM – grecki mesos – pośredni). Charakterystycznymi cechami mezofazy są obecność uporządkowania orientacyjnego w ułożeniu makrocząsteczek ˜VTNLı FUOLPV U‚, TU˜V- (lub ich fragmentów) oraz anizotropia właściwości fizycznych Ъ‡˛˘Лı YMLN‡O¸ M˚V UV w brak wpływów zewnętrznych. Bardzo ważne jest podkreślenie, że faza LC powstaje samoistnie, natomiast porządek orientacji w polimerze można łatwo indukować NUPUOVNYOfl M˚ı TUV‰L - po prostu rozciągając próbkę ze względu na wysoki MVML. yTU·UV ‚MLP‡MLV anizodiametria (asymetria) makrocząsteczek. U· ‡˘VMU M‡ TUB‰‡MLV Jeśli polimery przechodzą w stan LC lub mezofazę w wyniku działania termicznego MU‚˚ı ЪЛФУ‚УМНУФОВ- (ogrzewanie lub chłodzenie), nazywane są termo- MU˜M˚ı UFIL˜VTNLı P ‡-tropowe polimery LC, jeśli utworzona jest faza LC bV L‡OU‚ L ˝OVNЪ L˜VT- gdy polimery są rozpuszczone w określonych rozpuszczalnikach, nazywane są liotropowymi polimerami LC. NL YF ‡‚OflVP˚ı T V‰ Naukowe i praktyczne zainteresowanie termotropowymi i liotropowymi polimerami LC, które pojawiło się w © tL·‡V‚ Z.i., 1997 MLfl LMSCHU P‡ˆLL, ‡ Ъ‡N- w ciągu ostatnich dwóch dekad, jest podyktowane poprzez możliwość tworzenia nowych typów strukturalnych i funkcjonalnych materiałów polimerowych, z sukcesem „TUNUF U˜M˚ı TLMЪV- łączy unikalne właściwości ciekłych kryształów o niskiej masie cząsteczkowej i związków o wysokiej masie cząsteczkowej PU‡ PL U‡MM˚ı FO‡T . Czytelnikowi polecamy przeczytanie artykułu „Niezwykłe kryształy czy tajemnicze kryształy”. ny liquids”, poświęcony niskocząsteczkowym 40 lykylZldav jEkDbyZDnTsg'zhv LmkzDg, ‹6, 1997 ciekłym kryształom, opublikowany w „Soros-molecule can be reprezentowany jako odpowiednik Educational Journal” (1996. nr 11). łańcuch składający się z hipotetycznych swobodnie połączonych segmentów, które mogą orientować się w przestrzeni niezależnie od siebie (ryc. 1, a). Z kolei wielkość odcinka A można wyrazić albo jego długością (zwykle w E) albo liczbą.Wiadomo, że główną cechą jednostek monomeru o niskiej masie cząsteczkowej jest odpowiadająca długości okularowych ciekłych kryształów (które często nazywane są segmentami. Oczywiste jest, że im większe A (lub s), tym więcej są mezogenów, jest to związane z asymetrią sztywnego kształtu łańcucha polimeru. sztywne cząsteczki w kształcie pręta, a także dysku i deski. Sztywne fragmenty np. W zależności od elastyczności (lub sztywności) makrocząsteczek, których rolą jest najczęściej jedna romolekuła, wszystkie polimery można warunkowo podzielić na kilka pierścieni benzenowych, a także wielo- na elastyczne łańcuchy (dla których A ∼ 15–50 E i s = jądrowe grupy aromatyczne i heterocykliczne - = 10–15) i łańcuch sztywny (A ∼ 100–1000 E i s > 100). święta nazywane są grupami mezogenicznymi. Mianowicie (we wszystkich przypadkach założymy, że wartość seg - obecność grup mezogenicznych z góry determinuje tendencję znacznie większą niż grubość łańcucha d, czyli parowanie cząsteczek w przeważnie równoległy metr asymetrii kształtu makrocząsteczka A/d całe ułożenie względem siebie i ma duże.) Przykładami polimerów o giętkim łańcuchu charakteryzujących się spontanicznym pojawianiem się o znacznych wartościach są polietylen, polipropylen, polioksy-anizotropia o wszystkich właściwościach fizycznych. etylen, polidimetylosiloksan. Do polimerów o sztywnym łańcuchu zalicza się poliamidy aromatyczne, w przeciwieństwie do raczej sztywnych cząsteczek ciekłych poliizocyjanianów, biopolimery posiadające spiralne kryształy, makrocząsteczki polimerów, posiadające specyficzną konformację. Makrocząsteczki o takiej strukturze polimechainy charakteryzują się znaczną elastycznością i mogą prezentować się w postaci długiej sztywności, która jest zdeterminowana wytrzymałością prętów polimerowych (ryc. 1, b). Polimery posiadające łańcuchy zmieniające swój kształt (konformację) na wartości A pośrednie pomiędzy wartościami wskazanymi w wyniku wewnątrzcząsteczkowego ruchu termicznego często nazywane są polimerami o łańcuchu półsztywnym. spinki do mankietów Najprostszą miarą elastyczności (lub sztywności) łańcucha jest jakiś odpowiednik. Porównując kształty makrocząsteczek, elastyczna i ta sama wartość A, zwana segmentem statystycznym polimerów o sztywnym łańcuchu, łatwo dojść do wniosku (lub segment Kuhna), który niejako zastępuje hurt, że są to polimery o sztywnym łańcuchu. Polimery muszą w ograniczonym obszarze łańcucha rzeczywistego, a sam stopień makromaksymalny spełnia warunki A a b c d e g Ryc. 1. Schematyczne przedstawienie makrocząsteczek polimerów o różnej sztywności: a – polimery LC o łańcuchu elastycznym, b – polimery LC o łańcuchu sztywnym z grupami mezogenicznymi i elastycznymi połączeniami w łańcuchu głównym (c) i bocznym (d), polimery LC z podstawnikami objętościowymi ( e), atomy przegubowe (e) i zakłócona struktura liniowa łańcucha (g) taEDTSZ Z.i. Całą sztywną makrocząsteczkę w kształcie pręta można uznać za mezogeniczną. Jednak większość tych polimerów o sztywnym łańcuchu charakteryzuje się: Po raz pierwszy zasady projektowania molekularnego charakteryzują się bardzo wysokimi temperaturami w oparciu o koncepcję odsprzęgacza – przekładki do topienia, leżącej w obszarze ich chemicznego Zaproponowano syntezę grzebieniowych polimerów LC z rozkładem mezogenicznym, który znacznie ogranicza i grupy początkowe w łańcuchach bocznych i całkowicie wyklucza możliwość powstania mezofazy termotropowej przez naukowców z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Takie polimery theta (V.P. Shibaev, Ya.S. Freidzon, N.A. Plate) tworzyły jedynie liotropowe ciekłe kryształy w 1974 r., a pierwsze liniowe polimery LC z mezo-uwzględnieniem ich rozpuszczania w pewnych, czasem nawet grupach w głównych łańcuchach, były bardzo agresywne rozpuszczalniki. Makrocząsteczki dwa lata później włoskich naukowców A. Syryle polimerów o elastycznym łańcuchu w stopach mają gu i A. Roviello. konformacja statystycznie złożonych cewek (patrz ryc. 1, a), co znacznie komplikuje tworzenie fragmentów łańcucha i zapobiega tworzeniu się, jeśli zamiast elastycznych fragmentów zostaną użyte inne mezofazy . grupy chemiczne, które zakłócają strukturę liniową makrocząsteczek o sztywnym łańcuchu. Zmniejszenie kompromisowego rozwiązania mającego na celu sztywność można osiągnąć na przykład poprzez wprowadzenie termotropowych polimerów LC, uzyskanych za pomocą nieporęcznych podstawników (ryc. 1e), włączenie „zawiasowych” atomów tlenu i siarki poprzez wiązanie chemiczne (ryc. 1, f) fragmenty w pojedynczą makrocząsteczkę, co może, poprzez wprowadzenie grup chemicznych, przyczynić się do liniowego (ryc. 2, c) lub rozgałęzionego wyglądu zagięć łańcucha i zakłócenia ich symetrii (grzebienia) struktury (ryc. 2, G). W tym przypadku w trójskładnikowej strukturze liniowej (na przykład ze względu na obecność jąder fenylenu lub naftalenu cząsteczki ciekłych kryształów o niskiej masie cząsteczkowej zawarte w łańcuchu nie są w para-, ale w meta- i orto-po- lub ich grupy mezogeniczne, są zwykle stosowane jako sztywne fragmenty (ryc. 1, g) tworzenie fazy LC Z kolei elastyczne fragmenty, zwane zwykle rozprzęgaczami, obniżające sztywność makrocząsteczek ze względu na ich specyficzne rozcieńczenie, lasnZb LaCdidcalnDggauCldap zmniejszają topnienie temperatury polimerów, dające sztywnym grupom mezogenicznym wystarczająco dużą autonomię niezbędną do ich współpracy (w literaturze rosyjskiej zamiast określenia „różne polimery liniowe i rozgałęzione. a b c d e h i g k Ryc. 2. Różne typy makrocząsteczek polimerów LC z prętami i dyskami) ukształtowane grupy mezogeniczne. Objaśnienia w tekście 42 likyljZldav yEkDbyZDnTsgzhv LmkzDg, nr 6, 1997 „U ˚ Układy LC w tak silnie polarnych rozpuszczalnikach jak kwas siarkowy i chlorosulfonowy, dim- Głównymi jednostkami strukturalnymi są sztywny tyloacetamid z chlorkiem litu. polimery łańcuchowe o strukturze liniowej to polimery aromatyczne (najczęściej jądra benzenu lub naftalenu) lub fragmenty heterocykliczne, bL‰НУН ЛТЪ‡ООЛ˜ВТНЛВ ЪВ ПУЪ UFM˚V połączone ze sobą kolinearnie za pomocą FUOLPV ˚ takie grupy mostkowe jak np.: Zależne ze względu na charakter ułożenia grup mezogennych wszystkie polimery termotropowe dzielą się na dwie duże grupy: polimery LC z mezo-CO NH, CO, CH N, NN, grupami genów w łańcuchu głównym i bocznym. N N, O Polimery liniowe z grupami mezogennymi Najczęściej takie polimery otrzymuje się metodami w głównych łańcuchach polikondensacji lub kopolikondensacji pojedynczych termotropowych polimerów LC z mezogennymi lub różnymi bifunkcyjnymi grupami pochodnymi w głównych łańcuchach. Zwykle otrzymuje się albo: Przykłady syntezy poliestru aromatycznego a) poprzez polikondensację różnych dwufunkcyjnych kwasów polihydroksybenzoesowych (I) i związków poli-n-fenalowych, składających się ze sztywnego (tereftalamidu mezonenu (znak towarowy „Kevlar”1) genetyczny) (1) i elastycznego (2 ) fragmenty, lub: b) poprzez (II) kopolikondensację odmiennych aromatycznych związków dwufunkcyjnych pokazano poniżej: O −H2O a) polikondensacja HO COOH O C (I) n 1 2 −HCl A A + B B ClOC COCl + NH2 NH2 CH3 CH3 O O HO C N N C OH + C C NH NH (II) n + ClCO(CH 2) nCOCl Bardziej złożona reakcja wytwarzania polimeru heterocyklicznego, popiołu poli-n-fenylenobenzobisoks-CH3 CH (PBO), zachodzi poprzez oddziaływanie grupy aminowej- O C N N C OCO(CH 2) nCO pochodna rezorcyny z kwasem tereftalowym HO OH b) kopolikondensacja –H2O –HCl + HOOC COOH A A+B B+C C ClH3N NH3Cl gdzie A, B i C to grupy funkcyjne. Najskuteczniejszą opcją dla metod a O O lub b jest zastosowanie związku dwufunkcyjnego jako jednego ze składników C C (III), który działa jako zakłócacz liniowej struktury łańcucha PBO zgodnie z rys. 1, d, f, g. Przykłady takich jednostek zakłócających z mieszaninami objętościowymi Wszystkie powyższe polimery charakteryzują się rdzeniami (a), atomami zawiasowymi (b) i asymetrycznie dużą sztywnością makrocząsteczek (poniżej pokazano segment grupy Kun (c): mieści się w przedziale 400– 600 E), wysokie temperatury topnienia (450–500°C), leżące blisko zakresu temperatur ich chemicznego rozkładu, co wyklucza możliwość wystąpienia mezofazy termotropowej. Jednak pomimo tego O O X OC 1 Polimer ten wykorzystywany jest do produkcji włókien o dużej wytrzymałości. Zobacz także artykuł A.A. Berlina w „Soros Educational Journal” (1995. nr 1). O taEDTSZ Z.i. LaCdidkalnDggauCldaTs ugaeTckx 43 Polimery LC w kształcie grzebieniowym z bocznymi grupami Ponadto grupy mezogeniczne mogą mieć również kształt współkształtowany z grupami dysmesogennymi. Poliakrylowe stosuje się zwykle jako główne łańcuchy makrocząsteczek, do których zalicza się: a) w syntezie monomerów z grupami LC (mesogen-liwinyl, polisiloksan, w miarę elastyczny) i ich dalszej homopolimeryzacji - kationy alifatyczne, oksyalifatyczne lub kopolimeryzacje z mezogenami lub fragmentami . związki niemezogenne lub: b) dodatkowo- Stosując wszystkie powyższe metody, do zatężania małocząsteczkowych cząsteczek cieczy, przeprowadzono syntezę wielotysięcznych tali do łańcucha polimeru. W drugim przypadku polimery LC mają niejednorodną strukturę (ryc. 2). Konieczne jest, aby te reagujące jak polimer.Jak widać, oprócz cząsteczek „czysto liniowych” i „czysto i mezogennych” zawierały funkcjonalne, grzebieniowe” rozgałęzione grupy makromolekularne (A i B) zdolne do interakcji (ryc. 2, a, b) istnieje szeroka gama LC Viu. W obu przypadkach konieczne jest posiadanie polimeru odsprzęgającego zawierającego sparowane mezogeny (ryc. 2c), oddzielające grupę główną od bocznej. makrocząsteczki z bocznie połączonymi mezogennymi grupami A (ryc. 2, d), głównymi w kształcie dysku (ryc. 2, e) i fragmentami łańcucha w kształcie krzyża (ryc. 2, i). Możliwe jest również naprzemienne występowanie różnych grup mezogennych w obrębie tej samej makrocząsteczki (ryc. 2, f – j). Podstawowa możliwość syntezy polimerów LC zbudowanych z homopolimeryzacji makrocząsteczek składających się z dowolnej kombinacji grup mezogennych fragmentów mezogennych i niemezogennych otwiera bogate możliwości projektowania molekularnego nowych polimerowych związków LC. Kopolimeryzacja różnych Należy podkreślić, że zarówno grupy mezogenne, jak i niemezogenne (w przypadku kopolimerów) zawarte w składzie monomerów mezogennych makrocząsteczek mogą posiadać pewne właściwości funkcjonalne, które ostatecznie wyznaczają obszary praktycznego zastosowania mezogenicznego i (przerywnikowego) takich materiałów LC. Mogą to być monomery niemezogenne, np. grupy silnie polarne zdolne do orientacji w polach elektromagnetycznych w fazie LC, grupy światłoczułe („goście”) poddane ukierunkowanym zmianom fotochemicznym w matrycy polimerowej („gospodarz”) (efekt gościa właściciel) i inne funkcjonalnie działające fragmenty. B A B lnkmdnmkD a iljECzzylna lZivlnZ A A bd uigaeTskiyZ A A + A Polimery LC, podobnie jak ciekłe kryształy drobnocząsteczkowe, tworzą tę samą strukturę A A typy mezofaz: nematyczne (N), smektyczne (S) i cholesteryczne (Ch) z ich charakterystycznym układem fragmentów mezogenicznych - obecność tylko orientalnych - Przykłady typowego porządku mezogenicznego w kształcie pręta w nematykach (ryc. 3, a) i grupach warstw pokazano poniżej: pierwszego rzędu w smektyce (ryc. 3, b). W fazie cholesterycznej utworzonej przez optycznie aktywne polimery OCO OCnH2n + 1 realizuje się struktura helikalna, która determinuje szczególne właściwości optyczne cholesteryków (rys. 3c). CH N OCnH2n + 1 Główną cechą polimerów LC jest ich dwoistość, która umożliwia połączenie w jednym materiale CN właściwości związków wielkocząsteczkowych (z możliwością tworzenia filmów, szkieł, włókien i powłok) oraz mezomorficznych H OCnH2n + 1 unikalne właściwości ciekłych kryształów (które, 44 lykylZldav yEkDbyZDnTsg'zkhv LmkzDg, nr 6, 1997 P/2 a b c Ryc. 3. Układ cząsteczek w polimerach nematycznych (a), smektycznych (b), cholesterycznych (c) LC z grupami mezogennymi w łańcuchu głównym i bocznym (P to podziałka helisy struktury cholesterycznej) z kolei mają podwójne nieruchomości). W MF ‡‚OVMLV ˝OVN L˜VTNLP FUOVP – FYЪ¸ z uwagi na tę ostatnią okoliczność, dwoistość właściwości N FUOOY˜VML² UMNUFOVMU˜M˚ı UFЪL˜VTNLı polimerów LC nabiera jakby specjalnego P ‡V L‡OU‚ postać przerośnięta. Wykorzystując pola elektryczne (lub magnetyczne), tradycyjnie stosowane do orientowania polimerów termotropowych LC przekształcanych w niskocząsteczkowe ciekłe kryształy LC, można określić powyżej ich temperatury topnienia Tmelt lub (co już niekonwencjonalne!) kontrolować strukturę LC nad ich szkłem temperatura przejścia Tg (zmiękczenie) polimerów w mezofazie, powodując, że staje się ona mezogeniczna (jeśli pierwotny polimer nie krystalizuje). Grupy te są prowadzone we właściwym kierunku. temperatury odpowiadają dolnej granicy tworzenia się grup mezogenicznych w tym przypadku, tworzeniu się fazy LC, natomiast górna granica jest wyznaczona przez znak wartości anizotropii i jest tzw. temperaturą bielenia przenikalności elektrycznej ∆ ε|| = ε|| − ε⊥ , gdzie ε|| oraz (lub izotropizacja) Tpr, powyżej którego polimer ε⊥ – stałe dielektryczne mierzone przy przechodzi w izotropowy stop. To właśnie w temperaturowo równoległym (||) i prostopadłym (⊥) przedziale orientacji Tс (lub Tpl) – Tpr zachodzą mezogenice długich osi grup mezogenicznych. Przy ∆ε > 0 fragmenty polimeru LC samorzutnie orientują się wzdłuż elektrycznych osi mezogenów, tworząc pewne strukturalne pole trikowe, przy ∆ε< 0 перпендикулярно ему. тип мезофазы (N, S или Ch) в соответствии с моле- Схема на рис. 4 демонстрирует процесс ориента- кулярным строением и молекулярной массой поли- ции нематического гребнеобразного полимера (при мера. В случае лиотропных ЖК полимеров, образу- ∆ε >0), umieszczone pomiędzy dwoma roztworami przewodzącymi prąd, określone przez strukturę przezroczystych płytek szklanych, w ramach rodzaju mezofazy realizowane są pod ściśle określonym działaniem pola elektrycznego. Obserwując wartości kinetyczne temperatury i stężenia, politykę procesu orientacji grup mezogenicznych w roztworze, co zwykle jest wyraźnie widoczne podczas badania natężenia światła spolaryzowanego I, studiując ich diagramy fazowe. przechodząc przez folię polimerową (patrz rys. 4) widać jak mętna, silnie rozpraszająca się próbka wykorzystuje światło dzienne, które stopniowo zamienia się w przezroczystą folię, której strukturę można zamrozić. polimer jest chłodzony i wyłączany jest prąd, można go dość łatwo (choć powoli) kontrolować za pomocą różnych metod trójpolowych. Pokazane na ryc. 4 struktura, wpływ zewnętrzny, po którym następuje utrwalenie, w którym grupy mezogeniczne są zorientowane w zorientowanej strukturze w ciele stałym, wcześniej prostopadle do powierzchni komórki, nazywa się ściśle określoną w fazie LC. Rozważmy najbardziej homeotropowy. Stosowanie polimerów LC z negatywnymi aspektami kontroli właściwości anizotropii ciała stałej dielektrycznej polimerów LC z punktu widzenia ich zastosowania. noe (∆ε< 0) получают иной характер ориентации таЕДЦЗ З.и. ЬаСдйдкалнДггауЦлдаЦ ийгаеЦкх 45 I, % Наличие оптически активных звеньев в составе макромолекул стимулирует закручивание мезоген- ных групп и формирование надмолекулярной спи- 100 ральной структуры, селективно отражающей свет определенного диапазона длин волн, λmax в соответ- u=0 ствии с шагом спирали P (рис. 3, в). Варьируя состав сополимера можно менять шаг спиральной струк- туры и область селективного отражения света, по- скольку λ max = Pn (где n – показатель преломления холестерика). Чем больше концентрация хираль- ных звеньев в сополимере, тем сильнее закручена спираль, тем меньше шаг спирали P. Таким образом, Гомеотропная ориентация меняя концентрацию хиральных звеньев можно в мезогенных групп широких пределах варьировать λmax (от 300 до 104 нм), 50 получая спектрозональные оптические фильтры и отражатели для ИК-, видимой и УФ-областей спек- тра. Причем направление поляризации прошедше- го через пленку света противоположно закрутке спирали, что делает такие пленки эффективными u 0 циркулярными поляризаторами. Существенным преимуществом полимерных ЖК соединений перед низкомолекулярными жидкими кристаллами является возможность получения многослойных тонкопленочных материалов с нео- бычными оптическими свойствами. 0 5 10 15 τ, c ЖК полимеры как управляемые оптически активные среды для записи информации Рис. 4. Ориентация нематического ЖК полимера в электрическом поле Наряду с использованием ЖК полимеров в каче- стве материалов для пассивных оптических элемен- тов, когда в основном эксплуатируются оптические мезогенных групп – их длинные оси располагаются свойства этих материалов, заданные внешними по- вдоль поверхности стекол-электродов, это так на- лями единожды на этапе их изготовления, ЖК по- зываемая планарная структура. Такие высокоори- лимеры могут применяться и в активных управляе- ентированные пленки по существу представляют мых элементах. Проиллюстрируем это на примере собой твердые оптические элементы, характеризу- термооптической записи информации на гомео- ющиеся высокой оптической анизотропией (двой- тропно ориентированной пленке гребнеобразного ное лучепреломление, ∆n = 0,2–0,3), которые могут смектического ЖК полимера (рис. 5, а); основные быть использованы для получения оптических ма- цепи на рисунке для упрощения не показаны. териалов, таких, как фазовые пластинки, фазовые линзы, поляроиды и другие интересные тонкопле- Исходная прозрачная пленка ЖК полимера с го- ночные оптические материалы. меотропной ориентацией мезогенных групп (со- зданной, как указано выше, воздействием электри- ческого поля) (рис. 5, а) подвергается воздействию Холестерические ЖК полимеры – спектрозональные лазерного луча, который создает места локального фильтры и циркулярные поляризаторы перегрева полимера выше его Tпр. В этих местах ЖК полимер плавится, переходя в изотропный расплав, Среди ЖК полимеров особый интерес пред- при этом, естественно, нарушается гомеотропная ставляют холестерические пленки, образуемые хо- ориентация мезогенных групп (рис. 5, б). Охлажде- лестерическими гребнеобразными сополимерами, ние пленки (например, за счет перемещения лазер- которые обычно получают сополимеризацией ме- ного луча) приводит к самопроизвольному форми- зогенных мономеров и хиральных (оптически ак- рованию ЖК фазы, сильно рассеивающей свет на тивных), но необязательно мезогенных мономеров. фоне прозрачной пленки, что равносильно записи Термин “хиральный” (от греч. хирос – рука) ис- определенного объема информации (рис. 5, в). Осве- пользуется для описания структур, которые не мо- щение такой пленки расфокусированным лучом ла- гут быть совмещены со своим зеркальным изобра- зера позволяет спроектировать записанное изобра- жением путем наложения друг на друга. Такие жение на экран. На рис. 5, г показаны примеры структуры асимметричны и вращают плоскость по- записи геометрических фигур на пленке ЖК по- ляризации поляризованного света. лимера. Возможно также использование для этих 46 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹6, 1997 а б в В исходной анизотропной ЖК фазе достигается значительно более совершенная упаковка макро- молекул по сравнению с изотропным расплавом за счет формирования в мезофазе доменных областей, характеризующихся параллельной агрегацией мак- ромолекул. Получение волокон из таких растворов приводит к резкому повышению их прочностных характеристик, что определяется как химической T < Tпр T >Tpr T< Tпр структурой полимеров, так и совершенной ориен- тацией их макромолекул по сравнению с волокна- г ми, полученными из изотропных растворов. Проч- ность таких волокон в 2,5 раза, а модуль упругости в 10–20 раз выше, чем у самых прочных нитей из али- фатических полиамидов типа нейлон. Так, проч- ность на разрыв волокон кевлар и ПБО составляет 2,8 и 3,4 ГПа, а модуль упругости при растяжении – 180 и 450 ГПа соответственно (см. реакции II и III). С учетом низкого удельного веса этих ароматичес- 1 мм ких волокон их удельная прочность в 2–4 раза пре- восходит стальные и стеклянные волокна. Тот же принцип лежит в основе получения высо- Рис. 5. Принцип термооптической записи на копрочных, так называемых самоармирующихся пленке гомеотропно ориентированного смекти- пластиков, когда за счет продавливания уже не раст- ческого полимера (а–в) и примеры записанных воров, а анизотропных расплавов ЖК термотроп- геометрических фигур (г) ных полимеров через капилляры литьевых машин образуются фибриллярные (волокнистые) структу- целей и холестерических полимерных пленок, ко- ры, выполняющие роль армирующих материалов. торые в комбинации с циркулярными правыми и Однако в этом случае и матрица и армирующий ма- левыми поляризаторами дают возможность менять териал одинаковы по составу. Одним из примеров цвет записанных символов и цвет фона, на котором таких ЖК полимеров может служить сополимер ведется запись. “Вектра”, состоящий из разнородных звеньев: Несмотря на то что быстродействие ЖК поли- мерных пленок невелико (секунды, десятые доли O O секунд), они представляют интерес для записи и C O C , x долговременного (архивного) хранения информа- 1 −x ции, получения микрофиш, картографирования и использования в системах микрографии. строение которого соответствует структуре, изобра- женной на рис. 1, ж. Прочность этого и других по- Супервысокопрочные волокна и самоармированные добных термотропных ЖК полимеров необычно пластики высока и в несколько раз превосходит соответству- ющие величины для изотропных пластиков, что да- Высокая степень порядка в расположении жест- ло основание рассматривать их как новое поколе- коцепных и полужесткоцепных макромолекул в лио- ние самоармированных молекулярных композитов тропных и термотропных ЖК полимерах соответст- для использования в качестве конструкционных венно используется для получения высокопрочных материалов. волокон, пленок и разнообразных изделий из ЖК Помимо отличных механических свойств этих полимеров. Среди ЖК полимеров лиотропные по- пластиков существенный интерес представляет лимеры исторически были первыми, вышедшими низкий коэффициент линейного расширения тер- на арену практического применения в середине 60-х мотропных ЖК полимеров α. Значение α для них годов нашего столетия. Использование лиотропных составляет величины порядка 1 ⋅ 10−6 град−1, что ЖК растворов, таких, как поли-n-бензамид, поли- сопоставимо с величиной α для неорганического n-фенилентерефтальамид (см. выше реакцию II), а стекла (5 ⋅ 10−7 град−1) и значительно меньше, чем у также других ароматических полиамидов произвело нейлона (1 ⋅ 10−4 град−1). Это позволяет использовать настоящую революцию и позволило создать индус- такие ЖК полимеры в качестве защитных оболочек трию нового поколения высокопрочных, так назы- для световодов, что обеспечивает практически пол- ваемых высокомодульных (имеющих высокие зна- ное отсутствие светопотерь у световодов при темпе- чения модуля растяжения) волокон. ратурах от −80 до +80°С. таЕДЦЗ З.и. ЬаСдйдкалнДггауЦлдаЦ ийгаеЦкх 47 Высокие механические показатели, термостой- ганЦкДнмкД кость, удобство переработки обеспечивают широ- 1. Платэ Н.А., Шибаев В.П. Гребнеобразные полимеры кое практическое использование ЖК полимеров в и жидкие кристаллы. М.: Химия, 1980. виде конструкционных и армирующих материалов 2. Шибаев В.П. Жидкие кристаллы // Химическая в электронной и радиотехнической промышленно- энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1990. Т. 2. сти, самолетостроении, космической технике, ра- С. 286–289. кетостроении, для получения шинного корда, со- 3. Платэ Н.А., Шибаев В.П. Жидкокристаллические полимеры // Наука и человечество. М.: Знание, 1983. здания огнезащитных и других полимерных С. 283–298. материалов. 4. Шибаев В.П. Настоящее и будущее жидкокристалли- ческих полимеров // Хим. волокна. 1987. № 3. С. 4–12. Как видно из рассмотренных выше данных, ЖК 5. Жидкокристаллические полимеры / Под ред. полимеры активно вторгаются в сферы научной и Н.А. Платэ. М.: Химия, 1988. практической деятельности. Быстрыми темпами развивается промышленное производство ЖК ли- * * * нейных полимеров, получаемых из лиотропных и термотропных систем, мировое производство кото- Валерий Петрович Шибаев, доктор химических рых уже исчисляется сотнями тысяч тонн. Разраба- наук, профессор кафедры высокомолекулярных тываются подходы к производству гребнеобразных соединений химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоно- полимеров. Настоящий период характеризуется сова. Заслуженный деятель науки РФ, член-корре- быстрым накоплением знаний в этой области, что, спондент Российской академии естественных на- несомненно, приведет не только к расширению на- ук, лауреат Государственной премии СССР. Автор ших представлений вообще о ЖК соединениях, но более 400 научных работ, включая пять моногра- и к созданию качественно новых полимерных мате- фий (три из которых изданы за рубежом), 20 изоб- риалов. ретений и патентов. 48 лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹6, 1997

Pracownikom Wydziału Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego udało się stworzyć materiał, który z powodzeniem może stać się podstawą nowej generacji monitorów ciekłokrystalicznych.

Pracownicy Laboratorium Przemian Chemicznych Polimerów Katedry Związków Makrocząsteczkowych Wydziału Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego syntetyzują i badają wielofunkcyjne polimery ciekłokrystaliczne. Materiały takie nie tylko łączą różnorodne właściwości funkcjonalne, ale właściwości te można zmieniać kierunkowo za pomocą pola świetlnego, elektrycznego lub magnetycznego.

Grupa jest szeroko znana wśród naukowców zajmujących się polimerami ciekłokrystalicznymi. Na przykład chemicy uniwersyteccy jako jedni z pierwszych na świecie stworzyli ciekłokrystaliczny polimer cholesteryczny z fotokontrolowaną podziałką helisy. Teraz udało im się połączyć w jednym materiale zdolność do zmiany właściwości optycznych pod wpływem napromieniowania światłem i przyłożenia pola elektrycznego. Również po raz pierwszy.

Najpierw jednak warto przyjrzeć się bliżej naturze ciekłych kryształów i polimerów ciekłokrystalicznych.

Czwarty stan skupienia

Ciekłe kryształy to niezwykłe substancje. Łączą w sobie właściwości charakterystyczne dla cieczy i ciała stałego, co odzwierciedla ich pozornie paradoksalna nazwa. Z cieczy czerpali płynność, czyli zdolność do przyjmowania kształtu naczynia, do którego je wlewano. Z ciał stałych krystalicznych - anizotropia właściwości.

To ostatnie tłumaczy się strukturą ciekłych kryształów - cząsteczki w nich nie są rozmieszczone losowo, ale uporządkowane. To prawda, że ​​\u200b\u200bnie tak ściśle, jak w przypadku stałych kryształów. Tak naprawdę ciekły kryształ to czwarty stan skupienia. Jednak przez dość długi czas fizycy i chemicy w zasadzie nie rozpoznawali ciekłych kryształów, ponieważ ich istnienie podważało teorię trzech stanów materii - stałego, ciekłego i gazowego. Naukowcy klasyfikowali ciekłe kryształy jako roztwory koloidalne lub emulsje, aż na początku XX wieku niemiecki profesor Otto Lehmann w przekonujący sposób udowodnił ich istnienie.

Nie wszystkie związki przechodzą w stan ciekłokrystaliczny, a jedynie te, których cząsteczki mają znaczną anizometrię (kształt pręcików lub krążków). W zależności od upakowania cząsteczek wyróżnia się trzy typy struktur ciekłokrystalicznych – smektyczne, nematyczne i cholesteryczne.

Smetyki są chyba najbliższe zwykłym kryształom. Cząsteczki w nich są upakowane warstwami, a ich środki masy są nieruchome. Przeciwnie, w nematyce środki masy cząsteczek są rozmieszczone chaotycznie, ale osie ich cząsteczek, zwykle w kształcie pręta, są do siebie równoległe. Mówi się w tym przypadku, że charakteryzują się one porządkiem orientacyjnym.

Cholesterycy

Najbardziej złożoną strukturą trzeciego rodzaju ciekłych kryształów jest cholesteryczna. Do tworzenia cholesteryków potrzebne są tak zwane cząsteczki chiralne, czyli niezgodne z ich lustrzanym odbiciem. Jeśli mentalnie podzielisz warstwę cholesteryczną na monowarstwy, wówczas zawarte w niej cząsteczki znajdują się wewnątrz każdej monowarstwy, tak że ich długie osie są do siebie równoległe. Zatem każda monowarstwa ma strukturę nematyczną. Jednakże lustrzana asymetria cząsteczek cholesterycznych powoduje, że każda kolejna monowarstwa obraca się o mały kąt. W rezultacie cała konstrukcja skręca się w spiralę. Skok helisy, czyli odległość, na jaką cząsteczki obracają się o 360°, zależy od rodzaju cząsteczek chiralnych i ich stężenia.

To właśnie spiralna struktura zapewnia cholesterykom zdolność selektywnego odbijania padającego światła. Skok spirali określa długość fali odbitego światła; to właśnie ten kolor wydaje się być pomalowany warstwą cholesteryczną. Co więcej, jeśli spojrzysz na tę próbkę pod różnymi kątami, będzie ona miała inny kolor. Jednakże możemy nie widzieć kolorów, jeśli długość fali odbitego promieniowania mieści się w zakresie ultrafioletu lub podczerwieni widma.

Polimery ciekłokrystaliczne

Cholesteryki w ich naturalnym stanie, kiedy są zasadniczo lepkimi cieczami, są niewygodne w użyciu. W większości przypadków konieczne jest umieszczenie ich w specjalnej szczelnej skorupie, aby nadać im kształt i zabezpieczyć je przed wpływami zewnętrznymi. Jednym z rozwiązań tego problemu jest kapsułkowanie, czyli fizyczne wprowadzenie ciekłego kryształu do folii polimerowej. Istnieje jednak bardziej eleganckie rozwiązanie - tworzenie polimerów ciekłokrystalicznych.

Takie materiały otrzymuje się przez kopolimeryzację niektórych monomerów - cząsteczek, które po połączeniu ze sobą tworzą łańcuch polimerowy. Jeśli stosuje się monomery zawierające ugrupowanie chiralne, powstały polimer będzie cholesteryczny. Cholesteriki polimerowe po raz pierwszy uzyskano w latach 90. ubiegłego wieku jednocześnie na Wydziale Chemii Uniwersytetu Moskiewskiego i na Uniwersytecie w Moguncji (Niemcy).

Do takiego łańcucha polimeru można wprowadzić inne grupy funkcyjne. „Mogą to być grupy fotochromowe, czyli kontrolowane przez światło. Mogą to być grupy elektroaktywne, czyli zorientowane pod wpływem pola elektrycznego. Otwiera to szerokie możliwości tworzenia nowych materiałów i uzewnętrzniania wszystkich właściwości właściwych każdemu pojedynczemu fragmentowi” – ​​powiedział Walery Szibajew, kierownik Laboratorium Przemian Chemicznych Polimerów, członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk , w rozmowie z korespondentem serwisu.

„Tworząc takie polimery, możemy połączyć w jeden materiał cząsteczki, które często nawet nie mieszają się w swoim pierwotnym stanie. Oznacza to, że możemy połączyć ich unikalne właściwości” – dodaje Aleksiej Bobrowski, pracownik laboratorium i kandydat nauk chemicznych.

Przykłady zastosowania polimerów cholesterycznych

Ale to nawet nie jest najważniejsze. Same ciekłe kryształy są lepkimi cieczami tylko w wąskim zakresie temperatur. Oznacza to, że mają one swoje szczególne właściwości tylko w tym zakresie temperatur. Jednak polimery ciekłokrystaliczne po ochłodzeniu zachowują zarówno strukturę, jak i właściwości fazy ciekłokrystalicznej. Oznacza to, że możliwe jest utrwalenie wrażliwej struktury ciekłokrystalicznej w ciele stałym bez utraty np. jej unikalnych właściwości optycznych.

Cholesterycy łatwo reagują na temperaturę. Niektóre zmieniają kolor bardzo szybko przy bardzo małej zmianie temperatury - można z nich stworzyć unikalne kamery termowizyjne, czyli wskaźniki termiczne. Przykładowo naświetlając powierzchnię takiego materiału laserem można zbadać rozkład natężenia jego wiązki. Powłoki wykonane z polimerów cholesterycznych można stosować do testowania samolotów w tunelach aerodynamicznych. „Rozkład temperatury wyraźnie wskaże, w których miejscach turbulencje są bardziej widoczne, a w których wokół samolotu występuje laminarny przepływ powietrza” – wyjaśnia Walery Szibajew.

Jednym z najciekawszych przykładów zastosowania cholesteryków polimerowych jest produkcja filmów kontrolowanych światłem. Jeśli do łańcucha polimeru wprowadzi się monomer z grupą fotochromową, którego kształt zmienia się pod wpływem światła o określonej długości fali, wówczas można zmienić skok helisy w strukturze cholesterycznej. Innymi słowy, naświetlając materiał światłem, można zmienić jego kolor. Tę właściwość powstałego materiału można wykorzystać do rejestrowania i przechowywania informacji o kolorze w technologii holograficznej i wyświetlającej. Żywe przykłady demonstrujące te możliwości cholesteryków można zobaczyć na filmie.

Przykład wielofunkcyjny

Jednakże skok spirali może ulec zmianie nie tylko pod wpływem zmian światła i temperatury (jak w kamerach termowizyjnych), ale także pod wpływem pól elektrycznych i magnetycznych. W tym celu konieczne jest wprowadzenie do polimeru grup elektroaktywnych lub magnetycznie aktywnych. Poddanie działaniu pola elektrycznego lub magnetycznego prowadzi do orientacji cząsteczek ciekłego kryształu i do zniekształcenia, a następnie do całkowitego rozwinięcia helisy cholesterycznej.

Najnowsza praca Aleksieja Bobrowskiego i Walerego Szibajewa, opublikowana w czasopiśmie Journal of Materials Chemistry, opisuje, jak udało im się stworzyć unikalny materiał łączący w sobie światło i elektroczułość.

Jak zauważają autorzy pracy, znane są już wszystkie związki użyte w nowym materiale. Jako bazę zastosowano nematyczny ciekły kryształ z dodatkiem chiralnych cząsteczek, które skręcają mieszaninę w cholesteryczną helisę. Wprowadzenie związku fotochromowego pozwala po naświetleniu światłem ultrafioletowym przesunąć selektywne odbicie danego obszaru z niebieskiego obszaru widma na czerwony. Ale strukturę tej mieszaniny można również zmienić pod wpływem pola elektrycznego - po przyłożeniu pola cząsteczki mają tendencję do ustawiania się wzdłuż niego, zniekształcając w ten sposób spiralę. A na wystarczająco dużym polu spirala się rozwija. „W rzeczywistości następuje przejście do fazy nematycznej” – wyjaśnia Aleksiej Bobrowski.

Inaczej mówiąc, uzyskano ogniwo jednowarstwowe, w którym możliwe jest utworzenie stref o różnych kolorach, które pod wpływem pola elektrycznego mogą stać się bezbarwne. Czyli dokładnie tyle, ile potrzeba na piksel kolorowego wyświetlacza. Jednak po elektrycznym odwinięciu helisy powrót do początkowo zorientowanej fazy cholesterycznej zajmuje dużo czasu, a kontrast kolorów nie zostaje przywrócony.

Problem ten można rozwiązać za pomocą polimeryzacji. Wprowadzenie jedynie 6% specjalnego monomeru fotopolimeryzującego pozwala, również przy pomocy naświetlania światłem ultrafioletowym, stworzyć trójwymiarową sieć polimerową. Przenika całą objętość materiału i niejako zapamiętuje pierwotną orientację. Długość fali, na którą wrażliwe jest ugrupowanie fotochromowe, jest krótsza niż długość fali światła wymagana do fotopolimeryzacji i wytwarzania sieci polimerowej. Dlatego możliwe staje się najpierw stworzenie ogniwa ze strefami o różnych kolorach poprzez naświetlanie określonych obszarów przez różny czas, następnie utrwalenie tego stanu za pomocą trójwymiarowej siatki polimerowej, a następnie włączanie i wyłączanie koloru ogniwa za pomocą pola elektrycznego .

Nauka i technologia

Pierwsza próbka, którą otrzymano w laboratorium, jest dość nieporęczna i wymaga dużego przyłożonego pola elektrycznego. Jednak wczesne urządzenia LCD również zużywały zbyt dużo energii, miały ograniczoną żywotność i słaby kontrast obrazu. Teraz technologia znacznie się poprawiła i wszyscy lubimy z niej korzystać. Być może ogniwo stworzone przez rosyjskich chemików stanie się prototypem jeszcze wyższej jakości i tańszego wyświetlacza LCD.

Jednak Aleksiej Bobrowski uważa, że ​​celem pracy naukowców nie jest doprowadzenie pomysłu do komercyjnego wdrożenia, ale zbadanie cech samoorganizacji polimerów ciekłokrystalicznych, zrozumienie podstaw fizycznych i wzorców wpływu struktury chemicznej na ich właściwościach. Bardziej interesuje go część naukowa badań niż część aplikacyjna: „Co dziwne, wiele zjawisk nawet w niskocząsteczkowych ciekłych kryształach, pozornie całkiem oczywistych i już znanych, wciąż nie jest w pełni poznanych”. Nie ma wątpliwości, że badanie polimerów ciekłokrystalicznych, które są znacznie młodsze od niskocząsteczkowych ciekłych kryształów, ujawni znacznie więcej nieznanych aspektów ich zachowania fizykochemicznego.

Koniec stołu. 2

W przypadku polimerów liniowych temperatura zeszklenia zależy od masy cząsteczkowej i rośnie wraz z jej wzrostem. W polimerach usieciowanych tworzenie usieciowanej struktury prowadzi do wzrostu T s, im większa, tym gęstsza siatka przestrzenna.

Procesowi zeszklenia towarzyszy zmiana wielu właściwości polimeru: przewodności cieplnej, przewodności elektrycznej, współczynnika załamania światła, a właściwości te zmieniają się gwałtownie wraz ze wzrostem T Z.

Gdy temperatura spadnie poniżej T c w polimerze zmniejsza się ruch termiczny fragmentów kinetycznych makrocząsteczek. Aby spowodować nawet niewielkie odkształcenie zeszklonego polimeru, należy zastosować do niego duże obciążenie mechaniczne. W tym przypadku polimer zachowuje się jak ciało elastyczne lub lepkosprężyste. Wraz z dalszym spadkiem temperatury polimer zapada się niczym kruche ciało, z praktycznie zanikającym odkształceniem. Temperaturę, w której następuje kruche pękanie polimeru, nazywa się temperaturą kruchości. T godz. Polimery z reguły pracują w stanie szklistym, który odpowiada powierzchni I na krzywej termomechanicznej (patrz ryc. 8).

Stan bardzo elastyczny(HES) polimeru charakteryzuje się stosunkowo dużą ruchliwością segmentów makrocząsteczek. Przejawia się to tylko wtedy, gdy makrocząsteczki mają znaczną długość (dużą masę), i jest szczególnie charakterystyczne dla polimerów o giętkim łańcuchu, o małych siłach oddziaływania międzycząsteczkowego.

Przy znaczących oddziaływaniach międzycząsteczkowych (dipole, wiązania wodorowe) HEA obserwuje się w podwyższonych temperaturach, tj. gdy siły oddziaływania międzycząsteczkowego są osłabione. Względna łatwość przyjmowania przez makrocząsteczkę różnorodnych konformacji pod wpływem zewnętrznego naprężenia mechanicznego wyjaśnia duże odkształcenia powyżej T s (setki procent). Po usunięciu obciążenia, na skutek ruchu termicznego segmentów, makrocząsteczki wracają do pierwotnej konformacji, a uzyskane odkształcenie wysokoelastyczne zanika, tj. jest odwracalne. Jeśli proces deformacji polimeru liniowego będzie prowadzony powoli, tak aby makrocząsteczki miały czas na przejście z jednej konformacji równowagowej do drugiej, zamiast EES, polimer trafi do stan lepkiego przepływu(VTS). W tworzywach termoplastycznych HES obserwuje się w zakresie temperatur T Z - T dokąd
T k – temperatura płynięcia (topnienia) polimeru w obszarze II
(patrz ryc. 8).

W HTS polimer termoplastyczny jest cieczą i może nieodwracalnie płynąć pod wpływem stosunkowo małych sił zewnętrznych, tj. wykazują odkształcenia plastyczne. Podczas przepływu poszczególne makrocząsteczki poruszają się względem siebie. Deformacja w HTS może rozwijać się w nieskończoność i jest nieodwracalna. Stan lepkiego płynu odpowiada powierzchni III na ryc. 8.

Niektóre polimery sieciowe są również zdolne do przekształcania się w HEA. Jednakże, gdy temperatura wzrośnie powyżej T lekko miękną, a następnie ulegają nieodwracalnemu zniszczeniu.

Stan krystaliczny polimerów. Wiele polimerów termoplastycznych może występować w stanie krystalicznym. Zatem polietylen, polipropylen i poliamidy mogą tworzyć mikroskopijne kryształy.

Wykazują krystaliczne, ciekłokrystaliczne i zorientowane polimery amorficzne, takie jak monokryształy anizotropia właściwości(ryc. 9).

Polimery przechodzą w stan krystaliczny z cieczy (stopu, roztworu) wraz ze spadkiem temperatury. Krystalizacja następuje w wyniku utrwalenia położenia poszczególnych segmentów i pojawienia się w ich układzie elementów o dalekosiężnym porządku trójwymiarowym.

Aby przeprowadzić proces krystalizacji w polimerach, należy zachować pewne niezbędne, choć nie zawsze wystarczające, warunki.

Ryż. 9. Anizotropia uporządkowanych makrocząsteczek. Wskaźniki wyznaczone przez detektor będą znacząco różnić się od kierunku badania

Po pierwsze, aby zbudować strukturę krystaliczną, konieczne jest, aby cząsteczki polimeru były regularny, tj. miał liniową strukturę łańcucha z pewną naprzemiennością ogniw i ich równomiernym położeniem w przestrzeni w stosunku do łańcucha głównego.

Po drugie, podczas przemiany fazowej wzajemne układanie łańcuchów lub odcinków powinno następować zgodnie z zasadą ścisłego upakowania. Współczynniki upakowania (stosunek objętości wewnętrznej makrocząsteczek do objętości rzeczywistej ciała) dla większości skrystalizowanych polimerów mieszczą się w przedziale 0,62...0,67 i są zbliżone do współczynników upakowania zwykłych ciał stałych. Oczywiście ścisłe upakowanie jest trudne w przypadku makrocząsteczek zawierających rozgałęzienia i nieporęczne podstawniki boczne, które tworzą przeszkody przestrzenne.

Po trzecie, aby nastąpiła krystalizacja, cząsteczki polimeru muszą wykazywać pewną ruchliwość, aby łańcuchy mogły się poruszać i pasować do struktury kryształu. W praktyce krystalizacja może zachodzić w pobliżu i poniżej temperatury topnienia T pl. Polimery ciekłokrystaliczne zachowują swoją krystaliczną organizację nawet w wyższych temperaturach T pl.

Ale nawet gdy wszystkie te warunki są spełnione, polimery nie są całkowicie krystaliczne.

Oprócz krystalicznych polimery zawsze zawierają obszary amorficzne, dlatego nazywane są również obszarami krystalizującymi. Zatem zawartość fazy krystalicznej w polietylenie o dużej gęstości sięga 75...90%, a w polietylenie o małej gęstości nie przekracza 60%. Struktury krystaliczne z kolei są zawsze wadliwe morfologicznie (w kształcie i organizacji przestrzennej).

W przeciwieństwie do związków niskocząsteczkowych, topienie polimerów nie zachodzi w określonej temperaturze, ale w zakresie temperatur określonym przez ich strukturę chemiczną, masę cząsteczkową i właściwości kinetyczne. Za temperaturę topnienia przyjmuje się pewną średnią temperaturę tego przedziału.

Stopień krystaliczności, morfologia struktur krystalicznych i zakres temperatur topnienia polimeru są związane z czasem i relaksacyjnym charakterem procesu krystalizacji. Jeśli temperatura jest obniżana powoli, tworzą się bardziej zróżnicowane struktury krystaliczne.

W tabeli Tabela 3 pokazuje średnie temperatury topnienia niektórych polimerów.

Tabela 3

Średnie temperatury topnienia
niektóre polimery

Z tych danych jasno wynika, że T pl wzrasta wraz ze wzrostem polarności jednostek elementarnych polimerów, regularnością ich struktury i spadkiem elastyczności makrocząsteczek.

Struktura supramolekularna polimerów(NMS) odzwierciedla fizyczną organizację makrołańcuchów i jest charakterystyczny dla wszystkich polimerów, niezależnie od ich stanu fizycznego i fazowego. Przyczyną występowania NMS jest międzycząsteczkowe oddziaływanie makrołańcuchów. Morfologicznie NMS polimerów są złożonymi, odrębnymi przestrzennie agregatami o różnych rozmiarach i kształtach, powstałymi w wyniku ułożenia makrocząsteczek w określony sposób. Tworzenie struktur supramolekularnych ujawnia podstawową właściwość elastycznego łańcucha - zdolność do składania się w fałdy (paczki) lub zwijania się w kulki „na sobie”.

Elastyczne makrocząsteczki mogą mieć postać cewek. O stabilności tej formy decydują najniższe wartości pola powierzchni i energii powierzchniowej. Cewka składa się z jednej lub więcej makrocząsteczek, w których poszczególne odcinki łańcucha są rozmieszczone losowo. Ten NMS jest typowy dla większości polimerów amorficznych i powstaje podczas ich wytwarzania.

W polimerach z M> 10 4 struktury są szeroko rozpowszechnione, powstają zwykle na etapie stopienia lub rozpuszczenia w wyniku działania sił międzycząsteczkowych albo podczas fałdowania jednej makrocząsteczki lub jej segmentów, albo podczas łączenia liniowych fragmentów sąsiednich makrocząsteczek. Formacje złożone ( paczki) mogą tworzyć większe i bardziej złożone morfologicznie agregaty strukturalne – włókienka(ryc. 10,
A, B). W syntetyzowanych polimerach wiązka włóknista konstrukcja (ryc. 10, V) poprzedza powstanie bardziej rozwiniętych struktur supramolekularnych – lamele(ryc. 10, G).

Ryż. 10. A– schemat powstawania wiązek i włókienek w polimerach; B– upakowanie makrocząsteczek w zorientowanym polimerze krystalicznym; V– schemat budowy włókienek krystalicznych z późniejszym umieszczeniem ich w blaszkach ( G)

W zależności od warunków krystalizacji NMS może pozostać włóknisty lub przekształcić się w płytkowy (płytkowy) lub sferolityczny(ryc. 11, V, G).

A)

G)

V)

B)

Ryż. 11. Rodzaje formacji krystalicznych w polimerach: A– krystalit;
B– włóknisty; V– sferolity promieniste; G– sferolity pierścieniowe

Te ostatnie powstają z włókienek, które rozwijają się z jednego środka w kształcie kuli i są utrzymywane przez tzw łańcuchy przelotowe, tj. sekcje makrocząsteczek wchodzących w skład sąsiednich sferolitów. Łańcuchy przepływające tworzą obszary amorficzne w krystalicznym polimerze. Sferolity można tworzyć nie tylko poprzez układanie włókienek, ale także poprzez blaszki.

Gęstość polimeru w kryształach, ze względu na gęstsze upakowanie makrocząsteczek, okazuje się większa niż w strefach międzystrukturalnych wypełnionych nieuporządkowanymi makrołańcuchami i większa niż w obszarach amorficznych. Wartości średniej gęstości niektórych polimerów (ρ), gęstości składników krystalicznych (ρ cr) i amorficznych (ρ am) podano w tabeli. 4.

Tabela 4

Wartości gęstości polimeru, kg/m 3

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

Uniwersytet Federalny w Kazaniu (obwód Wołgi).

Instytut Chemiczny im. A. M. Butlerova

Katedra Chemii Nieorganicznej

Streszczenie na temat:

« Polimery ciekłokrystaliczne”

Praca skończona

uczeń grupy 714

Chikmatova G.Z.

Sprawdziłem pracę

Ignatieva K.A

Kazań-2012.

Wprowadzenie……………………………………………………………………………..3

1. Ciekłe kryształy………………………………………………………......

1.1.Historia odkrycia………………………………………………….……...4

1.2. Rodzaje fazy krystalicznej…………………………………….……....7

1.3.Metody badania ciekłych kryształów………..………………….…………....11

2. Polimery ciekłokrystaliczne…..…………………………………….13

2.1.Zasady projektowania molekularnego polimerów LC............14

2.2. Główne typy polimerów ciekłokrystalicznych…………….18

2.3.Budowa i cechy właściwości polimerów LC..………………….….20

2.4.Obszary zastosowań….……………………………………………………..

2.4.1 Sterowanie polem elektrycznym – droga do otrzymania cienkowarstwowych materiałów optycznych……………...………………………21

2.4.2. Cholesteryczne polimery LC – filtry spektrozonalne i polaryzatory kołowe……………………………………………………….23

2.4.3. Polimery LC jako kontrolowane nośniki optycznie aktywne do zapisu informacji……………………………………………………….………………..24

2.4.4.Włókna o bardzo dużej wytrzymałości i tworzywa sztuczne samowzmacniające się………………………………………………………………………………….25

Używana literatura………………………………………………….…28

Aplikacja.

Wstęp.

Lata 80. w nauce o polimerach to czas narodzin i szybkiego rozwoju nowej dziedziny – chemii i fizyki polimerów ciekłokrystalicznych. Dziedzina ta, która zrzeszała chemików syntetycznych, fizyków teoretyków, klasycznych chemików fizycznych, badaczy polimerów i technologów, rozrosła się w intensywnie rozwijany nowy kierunek, który bardzo szybko przyniósł praktyczny sukces w tworzeniu wysokowytrzymałych włókien chemicznych, a dziś przyciąga uwagę optyków i specjalistów mikroelektroników. Ale najważniejsze nie jest nawet to, ale fakt, że stan ciekłokrystaliczny w polimerach i układach polimerowych, jak się okazało, jest nie tylko niezwykle powszechny - dzisiaj opisano wieleset ciekłych kryształów polimerów - ale także stanowi stabilny równowagowy stan fazowy ciał polimerowych.
Jest w tym nawet pewien paradoks. W 1988 roku obchodzono setną rocznicę odkrycia przez austriackiego botanika F. Reinitzera pierwszej substancji ciekłokrystalicznej, benzoesanu cholesterylu. W latach 30. ubiegłego wieku rozwinęła się fizyka niskocząsteczkowych organicznych ciekłych kryształów, a w latach 60. na świecie działały już miliony urządzeń opartych na tych kryształach. Jednak w latach 60. i 70. większość badaczy polimerów nie mogła sobie wyobrazić na przykład istnienia termotropowych polimerów ciekłokrystalicznych typu cholesterycznego i ogólnie takie układy wydawały się egzotycznymi przedstawicielami nietypowych obiektów makromolekularnych. I faktycznie, w ostatnich latach nastąpił swego rodzaju „eksplozja” informacji i dziś nikogo nie dziwią liotropowe i termotropowe polimery ciekłokrystaliczne, syntetyzowane dziesiątkami każdego miesiąca.

W tej pracy chciałem porozmawiać o tym, kiedy i jak odkryto stan ciekłokrystaliczny, co wyróżnia ciekłe kryształy na tle innych obiektów, o polimerach ciekłokrystalicznych i dlaczego są one interesujące i wspaniałe.

Ciekłe kryształy.

Większość substancji może występować tylko w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Zmieniając temperaturę substancji, można ją sekwencyjnie przenosić z jednego stanu do drugiego. Zwykle rozważano budowę ciał stałych, do których zaliczały się kryształy i ciała amorficzne. Charakterystyczną cechą kryształów jest istnienie w nich porządku dalekiego zasięgu i anizotropii właściwości (z wyjątkiem kryształów ze środkiem symetrii). W ciałach amorficznych występuje jedynie porządek krótkiego zasięgu i w konsekwencji są one izotropowe. Porządek krótkiego zasięgu występuje również w cieczy, ale ciecz ma bardzo niską lepkość, to znaczy jest płynna.

Oprócz wymienionych trzech stanów skupienia istnieje czwarty, tzw płynny kryształ. Jest pośrednikiem między ciałem stałym a cieczą i jest również nazywany stan mezomorficzny. W tym stanie może znajdować się bardzo duża liczba substancji organicznych o złożonych cząsteczkach w kształcie pręcika lub dysku. W tym przypadku są to tzw ciekłe kryształy Lub mezofaza.

W tym stanie substancja posiada wiele cech kryształu, w szczególności charakteryzuje się anizotropią właściwości mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych i optycznych, a jednocześnie posiada właściwości cieczy. Podobnie jak ciecze, są one płynne i przybierają kształt pojemnika, w którym są umieszczone.

Na podstawie ich ogólnych właściwości LC można podzielić na dwie duże grupy. Nazywa się ciekłe kryształy powstające pod wpływem zmian temperatury termotropowy. Nazywa się ciekłe kryształy pojawiające się w roztworach, gdy zmienia się ich stężenie liotropowy.

1.1. Ciekłe kryształy odkryto w 1888 roku. Austriacki profesor botaniki F. Reinitzer podczas studiów nad nową substancją zsyntetyzował benzoesan cholesterylu, będący estrem cholesterolu i kwasu benzoesowego.

Odkrył, że po podgrzaniu do 145° faza krystaliczna (biały proszek) zamienia się w dziwną, mętną ciecz, a po dalszym podgrzaniu do 179° obserwuje się przejście w zwykłą przezroczystą ciecz. Próbował oczyścić tę substancję, ponieważ nie był pewien, czy ma czysty benzoesan cholesterylu, ale mimo to te dwa przejścia fazowe zostały odtworzone. Próbkę tej substancji wysłał swojemu przyjacielowi fizykowi Otto von Lehmannowi. Lehman badał zwykłe kryształy, w tym kryształy plastikowe, które są miękkie w dotyku i różnią się od zwykłych twardych kryształów. Główną metodą badań była polaryzacyjna mikroskopia optyczna - mikroskop, w którym światło przechodzi przez polaryzator, przechodzi przez substancję, a następnie przez analizator - przez cienką warstwę substancji. Kiedy kryształy określonej substancji zostaną umieszczone pomiędzy polaryzatorem a analizatorem, można zobaczyć tekstury – charakterystyczne obrazy dla różnych substancji krystalicznych – i w ten sposób zbadać właściwości optyczne kryształów. Okazało się, że Otto von Lehmann pomógł mu zrozumieć, co było przyczyną stanu pośredniego, czyli urojeń. Otto von Lehmann był poważnie przekonany, że wszystkie właściwości substancji krystalicznych, kryształów, zależą wyłącznie od kształtu cząsteczek, to znaczy nie ma znaczenia, jak są one rozmieszczone w tym krysztale, ważny jest kształt cząsteczek. I w przypadku ciekłych kryształów miał rację – kształt cząsteczek determinuje zdolność do tworzenia fazy ciekłokrystalicznej (głównie kształt cząsteczek). W 1888 roku Reinitzer napisał, że istnieją kryształy, których miękkość jest taka, że ​​można je nazwać cieczą, po czym Lehmann napisał artykuł o płynących kryształach, właściwie to on ukuł termin ciekłe kryształy. Stwierdzono, że ciekłe kryształy są bardzo liczne i odgrywają ważną rolę w procesach biologicznych. Są one na przykład częścią mózgu, tkanki mięśniowej, nerwów i błon. Termin „ciekłe kryształy”, opierający się na połączeniu dwóch, w pewnym sensie, przeciwstawnych sobie słów – „ciekły” i „krystaliczny”, dobrze się zadomowił, choć termin „mezofaza” wprowadzony przez francuskiego fizyka J. Friedel trzydzieści lat po odkryciu F. Reinitzera, pochodzące od greckiego słowa „mesos” (pośredni), jest najwyraźniej bardziej poprawne. Substancje te stanowią fazę pośrednią pomiędzy fazą krystaliczną a cieczą, powstają podczas topienia fazy stałej i istnieją w pewnym zakresie temperatur, aż po dalszym ogrzewaniu zamieniają się w zwykłą ciecz. Ważny epizod historyczny: w latach 20-30 radziecki fizyk Fredericks badał wpływ różnych pól magnetycznych i elektrycznych na właściwości optyczne ciekłych kryształów i odkrył ważną rzecz: orientacja cząsteczek w ciekłych kryształach bardzo łatwo zmienia się pod wpływem wpływ pól zewnętrznych, a pola te są bardzo słabe i zmieniają się bardzo szybko. Od końca lat 60-tych rozpoczął się boom w badaniach nad układami ciekłokrystalicznymi i fazami ciekłokrystalicznymi, co wiąże się z tym, że nauczyli się z nich korzystać. Najpierw w przypadku systemów wyświetlania informacji w zwykłych elektronicznych zegarkach cyfrowych, następnie w kalkulatorach, a wraz z pojawieniem się technologii komputerowej stało się jasne, że ciekłe kryształy można aktywnie wykorzystywać do produkcji wyświetlaczy. Naturalnie taki skok technologiczny pobudził badania ciekłych kryształów z punktu widzenia nauk podstawowych, jednak należy zwrócić uwagę, jak duża jest luka czasowa pomiędzy odkryciami naukowymi dotyczącymi ciekłych kryształów. Tak naprawdę ludzie interesowali się nimi z ciekawości, nie było zainteresowania utylitarnego, nikt nie wiedział, jak z nich korzystać, a ponadto w tamtych latach (lata 20-30) teoria względności była znacznie ciekawsza. Nawiasem mówiąc, Fredericks był popularyzatorem teorii względności w Związku Radzieckim, potem został represjonowany i zginął w obozach. Tak naprawdę minęło 80 lat od odkrycia ciekłych kryształów, zanim nauczyli się z nich korzystać.

1.2. W trakcie badań ciekłych kryształów wyjaśniono fizyczne przyczyny czwartego stanu materii. Głównym z nich jest niesferyczny kształt cząsteczek. Cząsteczki tych substancji są wydłużone w jednym kierunku lub mają kształt dysku. Cząsteczki takie rozmieszczone są albo wzdłuż określonej linii, albo w wybranej płaszczyźnie. Znane są trzy główne typy fazy krystalicznej: nematyczny(od greckiego słowa „nema” - nić), smektyczny(od greckiego słowa „smegma” - mydło), cholesteryczny.

W nematycznych ciekłych kryształach środki mas cząsteczek są umiejscowione i poruszają się chaotycznie, jak w cieczy, a osie cząsteczek są równoległe. Zatem porządek dalekiego zasięgu istnieje tylko w odniesieniu do orientacji cząsteczek. W rzeczywistości cząsteczki nematyczne wykonują nie tylko ruchy translacyjne, ale także wibracje orientacyjne. Zatem nie ma ścisłej równoległości cząsteczki, ale przeważa średnia orientacja (ryc. 7.19).Amplituda drgań orientacji zależy od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury występują większe odchylenia od równoległości orientacji, a w momencie przejścia fazowego orientacja cząsteczek staje się chaotyczna. W tym przypadku ciekły kryształ zamienia się w zwykłą ciecz.

Najbardziej interesujące ze względów praktycznych są substancje występujące w mezofazie nematycznej w temperaturze pokojowej. Obecnie, przygotowując mieszaniny różnych substancji, nematyki uzyskuje się w zakresie od -20 do +80 stopni, a nawet w szerszym zakresie temperatur.

Aby scharakteryzować porządek orientacyjny w ciekłych kryształach, zwykle wprowadza się dwa parametry: nakaz orientacji na dyrektora i stopień, zwany także parametrem zamówienia. Dyrektor jest wektorem jednostkowym I, którego kierunek pokrywa się z kierunkiem średniej orientacji długich osi cząsteczek. W nematycznych ciekłych kryształach reżyser pokrywa się z kierunkiem osi optycznej. Wektor I fenomenologicznie charakteryzuje porządek dalekiego zasięgu w rozmieszczeniu cząsteczek. Określa jedynie kierunek orientacji molekularnej, ale nie dostarcza żadnej informacji o tym, jak doskonałe jest uporządkowanie mezofazy. Miarą porządku orientacyjnego dalekiego zasięgu jest parametr zamówienia S, zdefiniowano następująco: S=1/2(3 ² θ -1) (*), gdzie θ – kąt pomiędzy osią pojedynczej cząsteczki a reżyserem ciekłego kryształu. Uśrednianie w (*) przeprowadza się dla całego zestawu cząsteczek. Wartość S=1 odpowiada pełnemu porządkowi orientacyjnemu, czyli idealnemu ciekłemu kryształowi, a S=0 oznacza całkowite zaburzenie orientacji i odpowiada nematowi, który przekształcił się w ciecz izotropową.

Cholesteryczne ciekłe kryształy swoją nazwę zawdzięczają cholesterolowi, ponieważ w większości przypadków są to estry cholesterolu. Jednocześnie, oprócz estrów cholesterolu, mezofazę cholesteryczną tworzy również szereg innych substancji. Cząsteczki wszystkich związków tworzących cholesterik zawierają asymetryczny atom węgla połączony czterema wiązaniami kowalencyjnymi z różnymi atomami lub grupami atomów. Takich cząsteczek nie da się połączyć ze sobą poprzez prostą superpozycję, tak jak lewej i prawej ręki. Nazywają się chiralny cząsteczki (od starożytnego hebrajskiego „dziedzica” - ręka).

Cholesteryczne ciekłe kryształy, składające się z cząsteczek chiralnych, mają podobną strukturę do nematyków, ale mają zasadniczą różnicę. Polega to na tym, że w przeciwieństwie do nematyki, jednolita orientacja cząsteczek w cholesteryku jest energetycznie niekorzystna. Chiralne cząsteczki cholesteryczne mogą być ułożone równolegle do siebie w cienkiej monowarstwie, ale w warstwie sąsiedniej cząsteczki muszą być obrócone o pewien kąt. Energia takiego stanu będzie mniejsza niż przy jednolitej orientacji. W każdej kolejnej warstwie reżyser I, leżący w płaszczyźnie warstwy, jest ponownie obracany o mały kąt. W ten sposób w cholesterycznym ciekłym krysztale powstaje helikalny porządek cząsteczek (ryc. 7.20). Spirale te mogą być lewe lub prawe. Kąt α między wektorami I sąsiednich warstw wynosi zwykle setne części pełnego obrotu, tj. α≈1®. W tym przypadku skok helisy cholesterycznej R wynosi kilka tysięcy angstremów i jest porównywalna z długością fali światła w widzialnej części widma. Nematyczne ciekłe kryształy można uznać za szczególny przypadek cholesterycznych ciekłych kryształów o nieskończenie dużym skoku spiralnym (P → ∞). Helikalne uporządkowanie cząsteczek może zostać zniszczone przez pole elektryczne lub magnetyczne przyłożone prostopadle do osi helisy.

Ciekłe kryształy smektyczne są bardziej uporządkowane niż ciekłe kryształy nematyczne i cholesteryczne. Są jak dwuwymiarowe kryształy. Oprócz orientacyjnego uporządkowania cząsteczek, podobnego do uporządkowania w nematyce, istnieje częściowe uporządkowanie środków mas cząsteczek. W tym przypadku dyrektor każdej warstwy nie leży już w płaszczyźnie warstwy, jak w cholesteryce, ale tworzy z nią pewien kąt.

W zależności od charakteru uporządkowania cząsteczek w warstwach, smektyczne ciekłe kryształy dzielą się na dwie grupy: smektyki z elementami niestrukturalnymi I smektyki z warstwami strukturalnymi.

W smektyczne ciekłe kryształy z warstwami niestrukturalnymiśrodki mas cząsteczek w warstwach są rozmieszczone chaotycznie, jak w cieczy. Cząsteczki mogą poruszać się dość swobodnie po warstwie, ale ich środki masy znajdują się w tej samej płaszczyźnie. Płaszczyzny te, zwane smektycznymi, znajdują się w tej samej odległości od siebie, w przybliżeniu równej długości cząsteczki. Na ryc. Rysunek 7.21a pokazuje rozmieszczenie cząsteczek w takim smektyku. W przypadku smektycznego ciekłego kryształu pokazanego na rysunku kierunek I i normalna n do płaszczyzny pokrywają się pod względem kierunku. Innymi słowy, długie osie cząsteczek są prostopadłe do warstw smektycznych. Takie ciekłe kryształy nazywane są smektykami A. Na ryc. Rysunek 7.21b przedstawia smektyk z warstwami niestrukturalnymi, w którym reżyser nie jest skierowany wzdłuż normalnej do warstwy, ale tworzy z nią pewien kąt.Ciekłe kryształy o takim układzie cząsteczek nazywane są smektykami C. W wielu w smektycznych ciekłych kryształach istnieje bardziej złożone uporządkowanie niż w smektykach A i C. Przykładem jest smektyczny F, którego szczegóły uporządkowania nie zostały jeszcze w pełni zbadane.

W smektyki z warstwami strukturalnymi mamy już do czynienia z trójwymiarowym uporządkowaniem statystycznym. Tutaj środki masy cząsteczek również leżą w warstwach smektycznych, ale tworzą dwuwymiarową siatkę. Jednak w odróżnieniu od substancji krystalicznych warstwy mogą swobodnie przesuwać się względem siebie (jak w innych smektykach!). Dzięki temu swobodnemu przesuwaniu się warstw wszystkie smektyki mają w dotyku wrażenie mydła. Stąd ich nazwa (greckie słowo „smegma” oznacza mydło).W wielu smektykach porządek środków mas cząsteczek jest taki sam jak w smektyce B, ale kąt między reżyserem I a normalną n do warstw jest niezerowe. W tym przypadku powstaje pseudosześciokątny porządek jednoskośny. Takie smektyki nazywane są smektykami H. Istnieją również smektyki D, które są zbliżone do struktury sześciennej z siatką skupioną na ciele. Wśród nowo syntetyzowanych ciekłych kryształów znajdują się takie, których nie da się sklasyfikować jako nematyczne, cholesteryczne i smektyczne. Nazywa się je zwykle egzotycznymi mezofazami. Należą do nich na przykład tak zwane ciekłe kryształy w kształcie dysku, czyli dyskotyki, które są intensywnie badane.

1.3. Mikroskopia polaryzacyjna jest pierwszą metodą badania ciekłych kryształów, to znaczy na podstawie obrazu obserwowanego przez badacza w mikroskopie polaryzacyjnym skrzyżowanych polaryzatorów można ocenić, jaki rodzaj mezofazy, jaki rodzaj fazy ciekłokrystalicznej powstaje. Jest to charakterystyczny obraz dla fazy nematycznej, której cząsteczki tworzą jedynie porządek orientacyjny. Tak wygląda faza smektyczna. Aby dać wam wyobrażenie o skali tego wszystkiego, to znaczy jest ona znacznie większa niż skala molekularna: szerokość obrazu wynosi setki mikronów, to znaczy jest to obraz makroskopowy, znacznie większy niż długość fali światła widzialnego. Analizując takie zdjęcia, można ocenić, jaka to struktura. Oczywiście istnieją dokładniejsze metody określania struktury i niektórych cech strukturalnych tych mezofaz - metody takie jak analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich, różne rodzaje spektroskopii - pozwala nam to zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego cząsteczki są upakowane w taki czy inny sposób .

Mezofaza cholesteryczna wygląda tak – jeden z typowych obrazów.

Kiedy zmienia się temperatura, obserwuje się zmianę załamania światła, więc zmieniają się kolory, zbliżamy się do przejścia - i obserwujemy przejście do stopu izotropowego, czyli wszystko pociemniało, w skrzyżowanych polaryzatorach widoczny jest ciemny obraz.

Polimery ciekłokrystaliczne.

Polimery ciekłokrystaliczne (LC) są związkami wielkocząsteczkowymi, zdolnymi do przejścia w stan LC w określonych warunkach (temperatura, ciśnienie, stężenie w roztworze). Stan LC polimerów jest równowagowym stanem fazowym, zajmującym pozycję pośrednią pomiędzy stanem amorficznym i krystalicznym, dlatego też często nazywany jest także mezomorficznym lub mezofazowym (od greckiego mesos – pośredni). Cechami charakterystycznymi mezofazy jest obecność uporządkowania orientacyjnego w ułożeniu makrocząsteczek (lub ich fragmentów) oraz anizotropia właściwości fizycznych przy braku wpływów zewnętrznych. Bardzo ważne jest podkreślenie, że faza LC powstaje samoistnie, natomiast porządek orientacji w polimerze można łatwo indukować poprzez proste rozciąganie próbki ze względu na dużą anizodiametrię (asymetrię) makrocząsteczek.

Jeśli polimery przechodzą w stan LC lub mezofazę w wyniku działania termicznego (ogrzewania lub chłodzenia), nazywane są termotropowymi polimerami LC; jeśli faza LC powstaje, gdy polimery są rozpuszczane w określonych rozpuszczalnikach, nazywane są liotropowymi polimerami LC.

Pierwszymi naukowcami, którzy przewidzieli możliwość tworzenia mezofazy przez polimery, byli V.A. Kargina i P. Flory.

Publikujemy zapis wykładu starszego pracownika naukowego Katedry Związków Makrocząsteczkowych Wydziału Chemii Uniwersytetu Moskiewskiego, profesora nadzwyczajnego, doktora nauk chemicznych, laureata Nagrody Prezydenta Federacji Rosyjskiej dla młodych naukowców za rok 2009 , Aleksiej Bobrowski, wygłoszony 2 grudnia 2010 r. w Muzeum Politechnicznym w ramach projektu „Wykłady publiczne Polit. RU”.

Zobacz też:

Tekst wykładu. Część 1

Dobry wieczór! Chciałbym wprowadzić kilka zmian w regulaminie: wykład składa się z dwóch części: najpierw o ciekłych kryształach, a następnie o polimerach ciekłokrystalicznych, dlatego też proponuję zadać kilka pytań po pierwszej części. Będzie łatwiej.

Pragnę powiedzieć, że głównym zadaniem, jakie sobie stawiam przygotowując się do tego wykładu, jest nie tyle zasypanie Państwa mnóstwem informacji na temat ciekłych kryształów i ich zastosowań, ale w jakiś sposób zainteresowanie ciekłymi kryształami, przekazanie kilka wstępnych koncepcji: czym są i pokazać, jakie są piękne i ciekawe, nie z punktu widzenia utylitarnego (gdzie można je zastosować), ale z punktu widzenia nauki i sztuki (jakie są piękne same w sobie). Plan mojego raportu.

W pierwszej kolejności opowiem kiedy i jak odkryto stan ciekłokrystaliczny, co wyróżnia ciekłe kryształy na tle innych obiektów, a w drugiej części mojego raportu opowiem o polimerach ciekłokrystalicznych oraz o tym dlaczego są ciekawe i wspaniałe .

Wszyscy wiedzą, że w większości substancji cząsteczki tworzą stan krystaliczny, cząsteczki tworzą trójwymiarową sieć krystaliczną, uporządkowaną w trzech wymiarach, a po podgrzaniu do określonej temperatury obserwuje się przejście fazowe od trójwymiarowego stanu uporządkowanego do stanu nieuporządkowany stan ciekły, a przy dalszym ogrzewaniu - do stanu gazowego . Okazało się, że istnieją fazy pośrednie, które mają stan skupienia cieczy, ale mimo to mają pewien porządek: nie trójwymiarowy, ale dwuwymiarowy lub jakiś inny zdegenerowany porządek. Wyjaśnię teraz, o czym mówimy.

Pierwsze doniesienie o niezwykłym stanie materii – ciekłokrystalicznym stanie materii, chociaż takie określenie wówczas nie istniało – miało miejsce w roku 1888. Według innych danych tak niezwykły stan substancji odnotowano w 1850 r., jednak powszechnie przyjmuje się, że w 1888 r. austriacki naukowiec Friedrich Reinitzer zbadał substancję benzoesan cholesterylu – pochodną cholesterolu – i odkrył, że po podgrzaniu do temperatury 145° faza krystaliczna (biały proszek) zamienia się w dziwną mętną ciecz, a po dalszym podgrzaniu do 179° obserwuje się przejście w zwykłą przezroczystą ciecz. Próbował oczyścić tę substancję, ponieważ nie był pewien, czy ma czysty benzoesan cholesterylu, ale mimo to te dwa przejścia fazowe zostały odtworzone. Próbkę tej substancji wysłał swojemu przyjacielowi fizykowi Otto von Lehmannowi. Lehman badał zwykłe kryształy, w tym kryształy plastikowe, które są miękkie w dotyku i różnią się od zwykłych twardych kryształów. Główną metodą badań była polaryzacyjna mikroskopia optyczna - mikroskop, w którym światło przechodzi przez polaryzator, przechodzi przez substancję, a następnie przez analizator - przez cienką warstwę substancji. Kiedy kryształy określonej substancji zostaną umieszczone pomiędzy polaryzatorem a analizatorem, można zobaczyć tekstury – charakterystyczne obrazy dla różnych substancji krystalicznych – i w ten sposób zbadać właściwości optyczne kryształów. Okazało się, że Otto von Lehmann pomógł mu zrozumieć, co było przyczyną stanu pośredniego, czyli urojeń. Otto von Lehmann był poważnie przekonany, że wszystkie właściwości substancji krystalicznych, kryształów, zależą wyłącznie od kształtu cząsteczek, to znaczy nie ma znaczenia, jak są one rozmieszczone w tym krysztale, ważny jest kształt cząsteczek. I w przypadku ciekłych kryształów miał rację – kształt cząsteczek determinuje zdolność do tworzenia fazy ciekłokrystalicznej (głównie kształt cząsteczek). W tym miejscu chciałbym omówić główne, moim zdaniem, historyczne etapy badań ciekłych kryształów.

W 1888 roku Reinitzer napisał, że istnieją kryształy, których miękkość jest taka, że ​​można je nazwać cieczą, po czym Lehmann napisał artykuł o płynących kryształach, właściwie to on ukuł termin ciekłe kryształy. Ważny epizod historyczny: w latach 20-30 radziecki fizyk Fredericks badał wpływ różnych pól magnetycznych i elektrycznych na właściwości optyczne ciekłych kryształów i odkrył ważną rzecz: orientacja cząsteczek w ciekłych kryształach bardzo łatwo zmienia się pod wpływem wpływ pól zewnętrznych, a pola te są bardzo słabe i zmieniają się bardzo szybko. Od końca lat 60-tych rozpoczął się boom w badaniach nad układami ciekłokrystalicznymi i fazami ciekłokrystalicznymi, co wiąże się z tym, że nauczyli się z nich korzystać. Najpierw w przypadku systemów wyświetlania informacji w zwykłych elektronicznych zegarkach cyfrowych, następnie w kalkulatorach, a wraz z pojawieniem się technologii komputerowej stało się jasne, że ciekłe kryształy można aktywnie wykorzystywać do produkcji wyświetlaczy. Oczywiście taki skok technologiczny pobudził badania ciekłych kryształów z punktu widzenia nauk podstawowych, ale chciałbym zwrócić uwagę, jak duża jest różnica czasowa pomiędzy odkryciami naukowymi dotyczącymi ciekłych kryształów. Tak naprawdę ludzie interesowali się nimi z ciekawości, nie było zainteresowania utylitarnego, nikt nie wiedział, jak z nich korzystać, a ponadto w tamtych latach (lata 20-30) teoria względności była znacznie ciekawsza. Nawiasem mówiąc, Fredericks był popularyzatorem teorii względności w Związku Radzieckim, potem został represjonowany i zginął w obozach. Tak naprawdę minęło 80 lat od odkrycia ciekłych kryształów, zanim nauczyli się z nich korzystać. Często podaję ten przykład, mówiąc o osobliwościach finansowania nauki.

Chciałbym rozwodzić się nad głównymi rodzajami fazy ciekłokrystalicznej. Jak działa mezofaza, czyli faza ciekłokrystaliczna?

Zazwyczaj faza ciekłokrystaliczna jest utworzona przez cząsteczki, które mają kształt pręcika lub dysku, to znaczy mają anizometrię kształtu, głównie pręcików lub dysków. Można sobie wyobrazić dobry eksperyment, który można łatwo przeprowadzić: jeśli losowo włożysz patyczki do pudełka i potrząśniesz nim, to w wyniku tego potrząsania zauważysz, że same pałeczki są ułożone równolegle, co jest najprostszą metodą nematyczną faza jest ułożona. W pewnym kierunku istnieje porządek orientacyjny, ale środek masy cząsteczek jest nieuporządkowany. Istnieją znacznie bardziej złożone fazy, na przykład typu smektycznego, gdy środek masy znajduje się w płaszczyznach, czyli takie fazy warstwowe. Faza cholesteryczna jest bardzo interesująca: jej porządek lokalny jest taki sam jak porządek nematyczny, istnieje porządek orientacyjny, ale w odległości setek nanometrów tworzy się struktura helikalna o określonym kierunku skręcenia, a wygląd faza ta wynika z faktu, że cząsteczki są chiralne, to znaczy, że konieczna jest chiralność molekularna (wyjaśnię, co to jest później), aby powstał taki helikalny skręt. Faza ta również ma ciekawe właściwości, jak na przykład faza nematyczna i również może znaleźć zastosowanie. Fazy, o których mówiłem, są najprostsze. Istnieją tak zwane fazy niebieskie.

Zatrzymam się nad nimi trochę, gdy będę mówić o polimerach, jest to trochę związane z moją pracą. Tutaj linie te wskazują kierunek orientacji cząsteczek, a głównym elementem strukturalnym takich faz są takie cylindry, w których orientacja długich osi cząsteczek sprytnie się zmienia, to znaczy w środku tego cylindra orientacja jest wzdłuż osi cylindra, a w miarę oddalania się na obrzeże obserwuje się obrót. Fazy ​​te są bardzo interesujące z punktu widzenia struktury, bardzo piękne w mikroskopie polaryzacyjnym i należy zauważyć, że w przypadku ciekłych kryształów o niskiej masie cząsteczkowej fazy te występują w kilku dziesiątych stopnia, w najlepszym przypadku 2 Zakres temperatur -3°, a w przypadku polimerów udało mi się uchwycić te ciekawe struktury, o czym opowiem później. Trochę chemii. Jak wyglądają struktury cząsteczek ciekłych kryształów?

Zwykle występuje ugrupowanie aromatyczne składające się z 2-3 pierścieni benzenowych, czasami mogą występować dwa pierścienie aromatyczne połączone bezpośrednio, może występować ugrupowanie łączące. Ważne jest, aby ten fragment był wydłużony, czyli jego długość była większa niż jego szerokość oraz aby był dość sztywny i możliwy był obrót wokół długiej osi, ale podczas tego obrotu kształt pozostaje wydłużony. Jest to bardzo ważne dla utworzenia fazy ciekłokrystalicznej. Istotna jest obecność w cząsteczce elastycznych ogonów – są to różne ogony alkilowe i istotna jest obecność różnych podstawników polarnych. Jest to ważne z punktu widzenia zastosowania i tworzy momenty dipolowe oraz zdolność do reorientacji w polach zewnętrznych, czyli cząsteczka ta składa się z dwóch głównych części: fragmentu mezogenicznego z jakimś podstawnikiem (polarnym lub niepolarnym) oraz elastycznego ogona który może się wygiąć. Dlaczego jest to potrzebne? Działa jak wewnętrzny plastyfikator, ponieważ jeśli weźmiemy sztywne cząsteczki, ulegną one krystalizacji - utworzą trójwymiarowy kryształ bez żadnych mezofaz, bez faz ciekłokrystalicznych, a elastyczny ogon często pomaga w utworzeniu fazy pośredniej pomiędzy kryształem i zwykła ciecz izotropowa. Innym rodzajem cząsteczek są cząsteczki w kształcie dysku. Oto ogólna budowa takich dysków, które również mogą tworzyć mesafazy, jednak mają one zupełnie inną budowę niż fazy oparte na wydłużonych cząsteczkach. Chciałbym Państwu podkreślić jak piękne są ciekłe kryształy pod mikroskopem polaryzacyjnym.

Mikroskopia polaryzacyjna jest pierwszą metodą badania ciekłych kryształów, to znaczy na podstawie obrazu obserwowanego przez badacza w mikroskopie polaryzacyjnym skrzyżowanych polaryzatorów można ocenić, jaki rodzaj mezofazy, jaki rodzaj fazy ciekłokrystalicznej powstaje. Jest to charakterystyczny obraz dla fazy nematycznej, której cząsteczki tworzą jedynie porządek orientacyjny. Tak wygląda faza smektyczna. Aby dać wam wyobrażenie o skali tego wszystkiego, to znaczy jest ona znacznie większa niż skala molekularna: szerokość obrazu wynosi setki mikronów, to znaczy jest to obraz makroskopowy, znacznie większy niż długość fali światła widzialnego. Analizując takie zdjęcia, można ocenić, jaka to struktura. Oczywiście istnieją dokładniejsze metody określania struktury i niektórych cech strukturalnych tych mezofaz - metody takie jak analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich, różne rodzaje spektroskopii - pozwala nam to zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego cząsteczki są upakowane w taki czy inny sposób .

Innym rodzajem obrazu jest stężony roztwór krótkich fragmentów DNA (roztwór wodny) – taki obraz uzyskano na Uniwersytecie w Kolorado. Ogólnie rzecz biorąc znaczenie i cechy powstawania faz ciekłokrystalicznych w obiektach biologicznych to temat na osobną, dużą dyskusję i nie jestem w tym ekspertem, ale mogę powiedzieć, że wiele polimerów o charakterze biologicznym jest w stanie wytworzyć ciecz faza krystaliczna, ale zwykle jest to liotropowa faza ciekłokrystaliczna, to znaczy, aby mogła powstać ta faza ciekłokrystaliczna, ważny jest rozpuszczalnik, taki jak woda. Oto zdjęcia jakie otrzymałem.

Tak wygląda mezofaza cholesteryczna – jeden z typowych obrazów. Chciałbym pokazać, jak pięknie wyglądają przejścia fazowe: gdy zmienia się temperatura, możemy zaobserwować przejście fazowe.

Kiedy zmienia się temperatura, obserwuje się zmianę załamania światła, więc zmieniają się kolory, zbliżamy się do przejścia - i obserwujemy przejście do stopu izotropowego, czyli wszystko pociemniało, w skrzyżowanych polaryzatorach widoczny jest ciemny obraz.

W innym przypadku jest to trochę bardziej skomplikowane: na początku widoczny jest ciemny obraz, ale natura nas oszukuje, cząsteczki są po prostu zorientowane tak, że wyglądają jak stop izotropowy, ale była faza ciekłokrystaliczna. Oto przejście do innej fazy ciekłokrystalicznej - po ochłodzeniu bardziej uporządkowane zmiany orientacji. Kolor czerwony jest powiązany ze strukturą spiralną z pewnym skokiem helisy, a skok helisy się zmienia, helisa się skręca, więc następuje zmiana kolorów. Widoczne są różne dysklinacje, czyli spirala się skręca, a teraz w pewnym momencie zostanie zaobserwowana krystalizacja tej próbki, wszystko to zmieni kolor na niebieski. Świadczę o tym faktem, że jednym z moich osobistych motywów studiowania np. ciekłych kryształów jest ich uroda, z przyjemnością patrzę na nie przez mikroskop, mam szczęście robić to na co dzień, a zainteresowanie estetyczne jest wspierane przez zainteresowania naukowe. Teraz nastąpi krystalizacja, wszystko dzieje się w czasie rzeczywistym. Nie mam żadnych bajerów, to zwykła mydelniczka zamontowana na mikroskopie, więc jakość jest odpowiednia. Tutaj rosną sferolity tego związku. Związek ten zsyntetyzowali dla nas chemicy w Czechach. (Sami syntetyzujemy również związki LCD.) Niewiele trzeba powiedzieć o tym, dlaczego są one powszechnie stosowane.

Każdy z nas nosi ze sobą niewielką ilość ciekłych kryształów, bo wszystkie monitory telefonów komórkowych oparte są na ciekłych kryształach, nie mówiąc już o monitorach komputerowych, wyświetlaczach, monitorach telewizyjnych i poważnej konkurencji ze strony monitorów plazmowych i ogólnie monitorów LED - wówczas, jak z tego co wiem (nie jestem w tym ekspertem), to nie. Ciekłe kryształy są stabilne i nie wymagają dużego napięcia do przełączania obrazu – to bardzo ważne. Ważną kombinację obserwuje się w ciekłych kryształach, tzw. anizotropię właściwości, czyli odmienność właściwości w różnych kierunkach w ośrodku, ich niską lepkość, innymi słowy płynność, możliwe jest utworzenie pewnego rodzaju optycznego urządzeniem, które przełączałoby się i reagowało z charakterystycznym czasem przełączania milisekund, a nawet mikrosekund, jest wtedy, gdy oko nie zauważa szybkości tej zmiany, dlatego możliwe jest istnienie wyświetlaczy LCD i telewizorów oraz bardzo dużej wrażliwości na pola zewnętrzne. Efekty te zostały odkryte przed Fredericksem, ale były przez niego badane, a zmiana orientacji, o której teraz będę mówić, nazywa się przejściem Fredericksa. Jak działa prosta cyfrowa tarcza zegarka i dlaczego ciekłe kryształy są tak powszechnie stosowane?

Urządzenie wygląda tak: jest warstwa ciekłego kryształu; pałeczki przedstawiają kierunek orientacji w cząsteczce ciekłego kryształu, oczywiście nie są zachowane w skali, są znacznie mniejsze od pozostałych elementów projektu, są dwa polaryzatory, są one skrzyżowane w taki sposób, że gdyby nie było warstwę ciekłokrystaliczną, światło nie przechodziłoby przez nie. Istnieją podłoża szklane, na które nanoszona jest cienka warstwa przewodząca, umożliwiająca przyłożenie pola elektrycznego; Istnieje też taka trudna warstwa, która orientuje cząsteczki ciekłego kryształu w określony sposób, a orientację ustala się w taki sposób, że na górnym podłożu cząsteczki są zorientowane w jednym kierunku, a na drugim podłożu - w kierunku prostopadłym , czyli zorganizowana jest orientacja skręcona cząsteczek ciekłego kryształu, tak że światło padając na polaryzator ulega polaryzacji - wchodzi do ośrodka ciekłokrystalicznego, a płaszczyzna jego polaryzacji obraca się zgodnie z orientacją cieczy cząsteczka kryształu - takie są właściwości cząsteczek ciekłego kryształu. I w związku z tym, że obraca się o 90° w polaryzacji płaskiej, światło przechodzi przez tę geometrię spokojnie, a jeśli przyłożone zostanie pole elektryczne, cząsteczki ustawiają się wzdłuż pola elektrycznego, w związku z czym spolaryzowane światło nie zmienia swojej polaryzacji i nie może przejść przez inny polaryzator. Tak wygląda ciemny obraz. W rzeczywistości w zegarku naręcznym stosuje się lusterko i można wykonać segmenty, które pozwalają na wizualizację jakiegoś obrazu. To najprostszy schemat, oczywiście monitory ciekłokrystaliczne to konstrukcje znacznie bardziej złożone, wielowarstwowe, warstwy są zazwyczaj bardzo cienkie – od kilkudziesięciu nanometrów do mikronów – ale zasada jest w zasadzie ta sama, a to przejście następuje wtedy, gdy zmiany orientacji cząsteczek wzdłuż pola elektrycznego lub magnetycznego (monitory wykorzystują pole elektryczne, ponieważ jest to łatwiejsze) nazywane jest przejściem (efektem) Fredericksa i jest aktywnie wykorzystywane we wszystkich tego typu urządzeniach. Pierwszy prototyp to nematyczny wyświetlacz na tarczy.

To jest zdjęcie ilustrujące, jak małe pole elektryczne jest potrzebne do zmiany orientacji cząsteczki ciekłego kryształu. W rzeczywistości jest to ogniwo galwaniczne składające się z dwóch ziemniaków jako elektrolitu, to znaczy do takiej reorientacji wymagane jest bardzo małe napięcie w okolicach 1 V, dlatego substancje te są tak szeroko stosowane. Kolejne zastosowanie, a mowa o cholesterycznych ciekłych kryształach, o którym opowiem bardziej szczegółowo, wynika z faktu, że są one w stanie zmieniać kolor w zależności od temperatury.

Dzieje się tak ze względu na różny skok spirali i możliwa jest wizualizacja np. rozkładu temperatury. Skończyłem mówić o ciekłych kryształach drobnocząsteczkowych i jestem gotowy wysłuchać pytań na ich temat, zanim przejdę do ciekłych kryształów polimerowych.

Dyskusja na temat wykładu. Część 1

Tatiana Sukhanova, Instytut Chemii Bioorganicznej: Odpowiedz na pytanie amatora: w jakim zakresie zmienia się barwa ciekłych kryształów i jak to zależy od ich budowy?

Aleksiej Bobrowski: Mówimy o cholesterycznych ciekłych kryształach. Tutaj kolor zmienia się w zależności od nachylenia helisy cholesterycznej. Istnieją cholesteryki, które selektywnie odbijają światło odpowiednio w obszarze UV, w obszarze niewidzialnym, i istnieją cholesteryki, które selektywnie odbijają światło ze względu na tę okresowość w obszarze podczerwieni, to znaczy mówimy o mikronach, dziesiątkach mikronów iw w przypadku zdjęć kolorowych, które pokazałem w spolaryzowanej mikroskopii optycznej, tam jest to bardziej skomplikowane, a kolor wynika z tego, że światło spolaryzowane, czyli płaszczyzna polaryzacji w ciekłym krysztale, obraca się inaczej, a to zależy od długość fali. Istnieje złożona gama kolorów i obejmuje cały zakres widzialny, czyli można pokombinować, aby uzyskać różnorodność kolorów.

Borys Dołgin: Czy możesz nam powiedzieć coś więcej o życiu?

Aleksiej Bobrowski: O życiu? Konkretnie o roli ciekłych kryształów w biologii?

Borys Dołgin: Tak.

Aleksiej Bobrowski: Niestety, to zupełnie nie mój temat. Na końcu podam link do książki. Przede wszystkim, gdy mówią o połączeniu ciekłych kryształów w biologii, mówią o tym, jak można je zastosować w medycynie – istnieje wiele różnych opcji. W lipidowych błonach komórkowych stan ciekłokrystaliczny występuje w rozsądnych temperaturach biologicznych.

Borys Dołgin: I to wcale nie jest artefakt, a to dodatkowe badania.

Aleksiej Bobrowski: Tak. Wydaje mi się, że rola stanu ciekłokrystalicznego wciąż nie jest do końca poznana i czasami istnieją dowody na to, że DNA w komórce może istnieć w stanie ciekłokrystalicznym, ale jest to temat do przyszłych badań. To nie jest moja dziedzina nauki. Bardziej interesują mnie ciekłokrystaliczne polimery syntetyczne, o których opowiem dalej.

Borys Dołgin: Czy polimery LCD są całkowicie sztuczne?

Aleksiej Bobrowski: Tak, przeważnie wszystko jest sztuczne. Zabarwienie na przykład niektórych chrząszczy i motyli wynika z naturalnych nie ciekłych kryształów, ale zamrożonego stanu ciekłokrystalicznego z powodu chitynowych polimerów biologicznych. Tak ewolucja doszła do wniosku, że zabarwienie nie jest zasługą pigmentów, ale sprytnej struktury polimerów.

Michaił Potanin: Mam pytanie dotyczące wrażliwości magnetycznej ciekłych kryształów. Jak wrażliwe są na pole magnetyczne Ziemi? Czy można z nich zrobić kompasy?

Aleksiej Bobrowski: Nie, nie możesz. Niestety, tak się stało. Od czego zależy czułość ciekłych kryształów? Istnieje koncepcja podatności diamagnetycznej i stałej dielektrycznej, a w przypadku pola elektrycznego wszystko jest znacznie wygodniejsze i lepsze, czyli tam wystarczy faktycznie przyłożyć 1 V do takiego ogniwa ciekłokrystalicznego - i wszystko będzie reorientowane, a w przypadku pola magnetycznego mówimy o teslach – takie natężenia pola są nieporównywalnie większe od siły pola magnetycznego Ziemi,

Lew Moskowkin: Być może mam całkowicie amatorskie pytanie. Wykład jest absolutnie uroczy, satysfakcja estetyczna duża, ale sama prezentacja już mniejsza. Zdjęcia, które pokazałeś, przypominają jądro - są też aktywne estetycznie - i reakcję Żabotyńskiego, choć Twoje zdjęcia nie są cykliczne. Dziękuję.

Aleksiej Bobrowski: Nie jestem gotowy, aby odpowiedzieć na to pytanie. Należy się temu przyjrzeć w literaturze. W polimerach i ciekłych kryształach istnieje teoria „skalowania”, czyli samopodobieństwa. Trudno mi odpowiedzieć na to pytanie, nie jestem kompetentny w tym temacie.

Natalia: Teraz Nagrody Nobla przyznawane są rosyjskim naukowcom. Pana zdaniem Fredericks, gdyby żył, mógłby otrzymać tę nagrodę? Ogólnie rzecz biorąc, czy którykolwiek z naukowców zajmujących się tym tematem otrzymał Nagrodę Nobla?

Aleksiej Bobrowski: Myślę, oczywiście, że Fredericks byłby pierwszym kandydatem. Zginął w obozie podczas wojny. Gdyby żył do lat 1968-1970, byłby pierwszym kandydatem do Nagrody Nobla – to oczywiste. Wciąż wielki fizyk, ale nie otrzymał nagrody (mówimy o naszych naukowcach), - Tsvetkov jest założycielem szkoły fizyków w Petersburgu, niestety rozpadła się ona w takim czy innym stopniu. Kwestia tego, kto otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie ciekłych kryształów, nie była specjalnie rozważana ani badana, ale moim zdaniem tylko Paul de Gennes otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie polimerów i ciekłych kryształów.

Borys Dołgin: Czy moda na badanie ciekłych kryształów przeminęła na zawsze?

Aleksiej Bobrowski: Tak, oczywiście, nie ma już w tym ekscytacji, bo przy najprostszej mezofazie (nematycznej fazie ciekłokrystalicznej) wiele już wiadomo i wiadomo, że jest ona najbardziej optymalna w zastosowaniu. Nadal istnieje pewne zainteresowanie fazami bardziej złożonymi, gdyż można uzyskać pewne korzyści w porównaniu z fazami dobrze zbadanymi, jednak liczba publikacji na temat stanu ciekłokrystalicznego spada.

Borys Dołgin: To znaczy, że nie widać żadnych jakościowych skoków w zrozumieniu, żadnych stref, w których istniałaby globalna tajemnica.

Aleksiej Bobrowski: Myślę, że lepiej nie przewidywać, bo wszystko może się zdarzyć. Nauka nie zawsze rozwija się konsekwentnie. Czasem zdarzają się dziwne skoki, dlatego nie podejmuję się przewidywania.

Konstantin Iwanowicz: Chciałbym wiedzieć na ile są bezpieczne dla życia ludzkiego.

Aleksiej Bobrowski: Osoby produkujące wyświetlacze LCD przechodzą testy bezpieczeństwa. Jeśli wypijesz litr ciekłego kryształu, prawdopodobnie poczujesz się chory, ale ponieważ używa się miligramów, nie ma poważnego niebezpieczeństwa. Jest to o wiele bezpieczniejsze niż zepsuta, wyciekająca rtęć z termometru. Jest to całkowicie nieporównywalne pod względem szkód. Obecnie pojawiają się badania nad recyklingiem ciekłych kryształów. Słyszałem jedno doniesienie, w którym poważnie traktowano ten problem, że istnieje już duża ilość złomu i można go odzyskać, ale problemy dla środowiska są minimalne. Oni są bezpieczni.

Borys Dołgin: Na końcu była bardzo interesująca rzecz. Jeśli wyobrażasz sobie używany monitor LCD i tak dalej. Co się z nim dalej stanie, co się dzieje? Jak się go usuwa - czy nie jest usuwany, czy w jakiś sposób ulega rozkładowi, czy pozostaje?

Aleksiej Bobrowski: Myślę, że cząsteczki ciekłego kryształu są pierwszą rzeczą, która rozkłada się pod wpływem czynników zewnętrznych.

Borys Dołgin: Więc nie ma tu żadnej szczególnej specyfiki?

Aleksiej Bobrowski: Oczywiście nie. Myślę, że problemy z recyklingiem tworzyw sztucznych i polimerów są znacznie bardziej skomplikowane.

Oleg: Proszę powiedzieć, co decyduje o zakresie temperatur faz ciekłokrystalicznych? Jak wiadomo, wszystkie nowoczesne wyświetlacze działają w bardzo szerokim zakresie temperatur. Jak to osiągnięto i na podstawie jakich właściwości i struktury materii są one zdeterminowane?

Aleksiej Bobrowski: Świetne pytanie. Rzeczywiście, zwykłe związki, większość związków organicznych syntetyzowanych indywidualnie, mają takie temperatury, jak pokazałem, benzoesan cholesterylu topi się w 140°, a następnie rozkład izotropowy 170°. Istnieją pojedyncze substancje, które mają niską temperaturę topnienia, bliską temperaturze pokojowej i przekształcają się w zwykłą ciecz izotropową w temperaturze około 50°, ale aby uzyskać tak szeroki zakres temperatur, aż do temperatur poniżej zera, trzeba było przygotować mieszaniny. Konwencjonalne mieszane kompozycje różnych substancji po zmieszaniu ich temperatura topnienia jest znacznie obniżona. Taka sztuczka. Zwykle są to serie homologiczne, w wyświetlaczach stosuje się pochodną bifenylową, w której nie ma podstawnika X i nitrylowego, a za ogony alkilowe przyjmuje się ogony o różnej długości, a mieszanina 5-7 składników umożliwia obniżenie temperatura topnienia poniżej 0°, pozostawiając jednocześnie temperaturę klarowania, czyli przejścia fazy ciekłokrystalicznej w fazę izotropową, powyżej 60° – to taki trik.

Tekst wykładu. Część 2

Przede wszystkim chciałbym powiedzieć, czym są polimery.

Polimery to związki, które otrzymuje się poprzez wielokrotne powtarzanie, czyli chemiczne wiązanie identycznych jednostek – w najprostszym przypadku identycznych, jak w przypadku polietylenu, są to jednostki CH2 połączone ze sobą pojedynczym łańcuchem. Oczywiście istnieją cząsteczki bardziej złożone, nawet cząsteczki DNA, których struktura nie powtarza się i jest zorganizowana w bardzo złożony sposób.

Główne typy topologii polimerów: najprostsze cząsteczki to cząsteczki o łańcuchu liniowym, istnieją polimery rozgałęzione, grzebieniowe. Polimery grzebieniowe odegrały ważną rolę w wytwarzaniu polimerów ciekłokrystalicznych. Polikatenany w kształcie gwiazdy i pierścienia to różnorodne kształty molekularne. Kiedy badania nad stanem ciekłokrystalicznym szły pełną parą, kiedy badano ciekłe kryształy, zrodził się pomysł: czy można połączyć unikalne właściwości optyczne ciekłych kryształów z dobrymi właściwościami mechanicznymi polimerów - zdolnością do tworzenia powłok, filmów? i niektóre produkty? I co mi przyszło do głowy w 1974 (była pierwsza publikacja) - pod koniec lat 60. - na początku 70. zaczęto proponować różne podejścia do produkcji polimerów ciekłokrystalicznych.

Jednym ze sposobów jest dołączenie cząsteczek w kształcie pręcika, patyka do liniowej makrocząsteczki, okazało się jednak, że takie polimery nie tworzą fazy ciekłokrystalicznej - są to zwykłe kruche szkła, które po podgrzaniu zaczynają się rozkładać i nic nie dają . Następnie równolegle w dwóch laboratoriach (opowiem o tym bardziej szczegółowo później) zaproponowano podejście do mocowania takich cząsteczek w kształcie pręcików do głównego łańcucha polimeru za pomocą elastycznych przekładek - lub rozłączeń, w języku rosyjskim. A potem okazuje się, co następuje: istnieje niewielka autonomia między głównym łańcuchem polimeru, przebiega ona w dużej mierze niezależnie, a zachowanie cząsteczek w kształcie pręcika, to znaczy główny łańcuch polimeru nie zakłóca tworzenia się pręcika fragmenty fazy ciekłokrystalicznej.

Podejście to okazało się bardzo owocne i równolegle w dwóch laboratoriach – w laboratorium Nikołaja Alfredowicza Plate’a w Związku Radzieckim i w laboratorium Ringsdorfa – niezależnie zaproponowano takie podejście i cieszę się, że mogę teraz pracować w laboratorium Walerija Pietrowicza Szibajewa na Wydziale Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, czyli pracuję w laboratorium, w którym to wszystko zostało wynalezione. Oczywiście były spory co do priorytetów, ale to wszystko jest nieistotne.

Główne rodzaje polimerów ciekłokrystalicznych. Nie będę mówił o takich głównych łańcuchach ani o głównych grupach głównego łańcucha polimeru (jest to jeden z rodzajów takich polimerów), będę mówił głównie o polimerach ciekłokrystalicznych grzebieniowych, w których fragmenty w kształcie pręcików są połączone z łańcuch główny poprzez elastyczny alifatyczny odsprzęgacz.

Ważną zaletą podejścia do tworzenia polimerów ciekłokrystalicznych z punktu widzenia syntezy i łączenia różnych właściwości jest możliwość otrzymywania homopolimerów. Oznacza to, że bierzesz monomer, który jest zdolny do tworzenia cząsteczki łańcucha, na przykład ze względu na podwójne wiązanie, schematycznie przedstawione tutaj, i możesz otrzymać homopolimer, czyli polimer, którego cząsteczki składają się z identycznych fragmentów w kształcie pręcików , albo można wytworzyć kopolimery łącząc dwa różne fragmenty - oba mogą tworzyć mezofazę lub mogą łączyć fragmenty niemezogeniczne z fragmentami mezogennymi i okazuje się, że mamy zdolność chemicznego wymuszania, aby odmienne składniki znajdowały się w tym samym układ polimerowy. Innymi słowy, gdybyśmy próbowali zmieszać taki monomer z takim monomerem bez wiązania chemicznego, dałoby to dwie oddzielne fazy i wiążąc je chemicznie, zmuszamy je do tego samego układu, a wtedy pokażę, dlaczego to jest dobry.

Ważną zaletą i różnicą pomiędzy ciekłymi kryształami polimerowymi a ciekłymi kryształami niskocząsteczkowymi jest możliwość tworzenia stanu szklistego. Jeśli spojrzeć na skalę temperatur: w wysokich temperaturach mamy fazę izotropową, gdy temperatura spada, tworzy się faza ciekłokrystaliczna (w tych warunkach polimer wygląda jak bardzo lepka ciecz), a po ochłodzeniu następuje przejście w fazę ciekłokrystaliczną obserwuje się stan szklisty. Temperatura ta jest zwykle bliska lub nieco wyższa od temperatury pokojowej, ale zależy to od budowy chemicznej. Zatem w odróżnieniu od związków niskocząsteczkowych, które albo są ciekłe, albo przechodzą w stan krystaliczny, zmienia się ich struktura. W przypadku polimerów struktura ta okazuje się zamrożona w stanie szklistym, który może utrzymywać się przez dziesięciolecia, a to jest istotne z punktu widzenia zastosowań, np. do zapisu przechowywania informacji możemy zmienić strukturę i orientację cząsteczki, fragmenty cząsteczki i zamroź je w temperaturze pokojowej. Jest to istotna różnica i zaleta polimerów ze związków niskocząsteczkowych. Do czego jeszcze nadają się polimery?

Ten film przedstawia elastomer ciekłokrystaliczny, który w dotyku przypomina gumkę, która kurczy się po podgrzaniu i rozszerza się po ochłodzeniu. Ta praca została pobrana z Internetu. To nie jest moje dzieło, tutaj obraz przyspieszony, czyli w rzeczywistości niestety to przejście obserwuje się w ciągu kilkudziesięciu minut. Dlaczego to się dzieje? Co to jest elastomer ciekłokrystaliczny, który ma dość niską temperaturę zeszklenia, czyli w temperaturze pokojowej jest w stanie elastycznym, ale makrocząsteczki są usieciowane i jeśli syntetyzujemy film w fazie ciekłokrystalicznej, to łańcuch polimerowy nieznacznie powtarza orientację grup mezogenicznych, a jeśli go podgrzejemy, grupy mezogeniczne przejdą w stan nieuporządkowany i odpowiednio przeniosą główne łańcuchy polimeru w stan nieuporządkowany, a anizometria cewek makrocząsteczkowych zmienia się. Prowadzi to do tego, że podczas ogrzewania, podczas przejścia z fazy mezofazy do fazy izotropowej, obserwuje się zmianę wymiarów geometrycznych próbki na skutek zmiany kształtu cewek polimerowych. W przypadku ciekłych kryształów o niskiej masie cząsteczkowej nie można tego zaobserwować. Dwie grupy w Niemczech – Finkelman, Zentel – i inne grupy dużo pracowały nad tymi kwestiami. To samo można zaobserwować pod wpływem światła.

Istnieje wiele prac poświęconych polimerom fotochromowym, które zawierają fragment azobenzenu – dwa pierścienie benzenowe połączone ze sobą podwójnym wiązaniem NN. Co się stanie, gdy takie fragmenty molekularne zostaną wystawione na działanie światła? Obserwuje się tzw. izomeryzację trans-cis, a fragment w kształcie pręcika pod wpływem napromieniowania światłem przekształca się w skośną, zakrzywioną postać cis, czyli fragment wygięty. Prowadzi to również do tego, że porządek w układzie znacznie maleje i tak jak widzieliśmy wcześniej podczas nagrzewania, tak i podczas naświetlania następuje zmniejszenie wymiarów geometrycznych, zmiana kształtu folii, w tym przypadku zaobserwowaliśmy redukcja.

Podczas naświetlania można uzyskać różnego rodzaju odkształcenia zginające, to znaczy pod wpływem naświetlania światłem UV można uzyskać takie wygięcie folii. Pod wpływem światła widzialnego obserwuje się odwrotną izomeryzację cis-trans, a film ten rozszerza się. Możliwe są różne opcje - może to zależeć od polaryzacji padającego światła. Mówię o tym, ponieważ jest to obecnie dość popularny obszar badań nad polimerami ciekłokrystalicznymi. Udało im się nawet stworzyć na tej podstawie niektóre urządzenia, ale niestety, jak dotąd czasy przejścia są dość długie, to znaczy prędkość jest niska i dlatego nie można mówić o żadnym konkretnym zastosowaniu, ale mimo to są takie sztucznie utworzone mięśnie, które działają, pracują pod wpływem zmian temperatury lub pod wpływem światła o różnych długościach fal. Teraz chciałbym bezpośrednio opowiedzieć Wam trochę o mojej pracy.

Jakie jest zadanie mojej pracy, naszego laboratorium. Mówiłem już o zaletach kopolimeryzacji, możliwości łączenia całkowicie odmiennych fragmentów w jednym materiale polimerowym oraz o głównym zadaniu, głównym podejściu do tworzenia tak różnych wielofunkcyjnych polimerów ciekłokrystalicznych jest kopolimeryzacja szerokiej gamy monomerów funkcjonalnych, które mogą być mezogeniczne, czyli odpowiedzialne za powstawanie polimerów ciekłokrystalicznych, fazy chiralne (o chiralności będę mówić później), fotochromowe, czyli zdolne do zmian pod wpływem światła, elektroaktywne, które niosą ze sobą duży Moment dipolowy i możliwość zmiany orientacji pod wpływem pola, możliwe są różnego rodzaju grupy funkcyjne, które mogą na przykład oddziaływać z jonami metali oraz zmiany w materiale. I to jest taka hipotetyczna makrocząsteczka w kształcie grzebienia narysowana tutaj, ale w rzeczywistości otrzymujemy kopolimery podwójne lub potrójne, które zawierają różne kombinacje fragmentów i odpowiednio możemy zmieniać właściwości optyczne i inne tych materiałów za pomocą różnych wpływów, na przykład , światło i pole elektryczne. Jeden z takich przykładów połączenia chiralności i fotochromowości.

Mówiłem już o mezofazie cholesterycznej - faktem jest, że powstaje helikalna struktura molekularna o pewnym skoku helisy, a układy takie dzięki takiej okresowości mają selektywne odbicie światła. To jest schematyczny diagram przekroju filmu: pewien skok zwoju, a faktem jest, że odbicie selektywne jest liniowo powiązane ze skokem zwoju - proporcjonalnie do skoku zwoju, to znaczy poprzez zmianę skoku zwoju w taki czy inny sposób, możemy zmienić kolor filmu, długość fali selektywnego odbicia. Co powoduje taką konstrukcję o pewnym stopniu skręcenia? Aby taka struktura mogła powstać, do fazy nematycznej należy wprowadzić fragmenty chiralne.

Chiralność molekularna to właściwość cząsteczek, która jest niezgodna z ich lustrzanym odbiciem. Najprostszym fragmentem chiralnym, jaki mamy przed sobą, są nasze dwie dłonie. Są one z grubsza lustrzanymi odbiciami siebie i w żaden sposób nie są porównywalne. Chiralność molekularna wprowadza do układu nematycznego zdolność do skręcania się i tworzenia helisy. Trzeba powiedzieć, że nadal nie ma jasnej, dobrze wyjaśniającej teorii skręcania spirali, ale mimo to jest ona obserwowana.

Jest ważny parametr, nie będę się nad nim rozwodzić - jest to siła skręcająca i okazało się, że siła skręcająca - zdolność fragmentów chiralnych do tworzenia struktury helikalnej - silnie zależy od geometrii fragmentów chiralnych.

Otrzymaliśmy kopolimery chiralno-fotochromowe, które zawierają fragment mezogeniczny (pokazany jako niebieska sztyft) – odpowiada on za powstawanie nematycznej fazy ciekłokrystalicznej. Otrzymano kopolimery z fragmentami chiralno-fotochromowymi, które z jednej strony zawierają chiralną cząsteczkę (grupę), a z drugiej strony fragment zdolny do fotoizomeryzacji, czyli zmiany geometrii pod wpływem światła, a napromieniowując takie cząsteczki, indukujemy izomeryzację trans-cis, zmieniamy strukturę chiralnego fragmentu fotochromowego i w efekcie jego zdolność do indukowania efektywności indukowania helisy cholesterycznej, czyli w ten sposób możemy, np. rozluźniamy helisę cholesteryczną pod wpływem światła, możemy to zrobić odwracalnie lub nieodwracalnie. Jak wygląda eksperyment, co możemy wdrożyć?

Mamy fragment cholesterycznego filmu cholesterycznego polimeru. Możemy go naświetlić za pomocą maski i lokalnie wywołać izomeryzację; podczas izomeryzacji zmienia się struktura fragmentów chiralnych, zmniejsza się ich zdolność do skręcania i obserwuje się miejscowe odwijanie helisy, a ponieważ obserwuje się odwijanie helisy, możemy zmienić długość fali selektywnego odbicia koloru, czyli filmów kolorowych.

Próbki, które pozyskaliśmy w naszym laboratorium, to próbki polimerów naświetlane przez maskę. Na takich kliszach możemy rejestrować różnego rodzaju obrazy. Może to mieć znaczenie stosowane, ale chciałbym podkreślić, że głównym celem naszej pracy jest badanie wpływu struktury takich układów na konstrukcję molekularną, na syntezę takich polimerów i na właściwości takich układów . Ponadto nauczyliśmy się nie tylko kontrolować światło, długość fali selektywnego odbicia, ale także kontrolować elektryczność. Możemy na przykład zarejestrować jakiś kolorowy obraz, a następnie przykładając pole elektryczne w jakiś sposób go zmienić. Ze względu na wszechstronność takich materiałów. Takie przejścia - odwijanie-skręcanie helisy - mogą być odwracalne.

Zależy to od konkretnej struktury chemicznej. Przykładowo możemy uzależnić długość fali selektywnego odbicia (a właściwie zabarwienia) od ilości cykli zapisu-kasowania, czyli pod wpływem napromieniowania światłem ultrafioletowym odwijamy spiralę, a klisza zmienia kolor z zielonego na czerwony , a następnie możemy go podgrzać do temperatury 60° i wywołać odwrotny skręt. W ten sposób możesz zaimplementować wiele pętli. Na zakończenie chciałbym jeszcze trochę wrócić do estetycznego aspektu ciekłych kryształów i polimerów ciekłokrystalicznych.

Pokazałem i opowiedziałem trochę o fazie niebieskiej - złożonej, bardzo ciekawej strukturze, nadal są badane, wprowadza się tam nanocząstki i widzą, jakie tam się zmieniają, a w ciekłych kryształach o małej masie cząsteczkowej faza ta występuje w ułamkach stopni (2°-3°, ale nie więcej), są bardzo niestabilne. Wystarczy trochę popchnąć próbkę - i ta piękna tekstura, której przykład pokazano tutaj, ulega zniszczeniu, a w polimerach w latach 1994-1995 udało mi się to przez długie ogrzewanie, wypalanie folii w określonych temperaturach aby zobaczyć tak piękne tekstury cholesterycznych faz niebieskich, a udało mi się bez żadnych sztuczek (bez użycia ciekłego azotu) po prostu schłodzić te filmy i obserwować te tekstury. Niedawno znalazłem takie próbki. Minęło 15 lat - i te tekstury pozostały absolutnie niezmienione, to znaczy przebiegła struktura niebieskich faz, niczym niektóre starożytne owady w bursztynie, pozostaje niezmienna od ponad 10 lat.

Jest to naturalnie wygodne z badawczego punktu widzenia. Możemy umieścić to w mikroskopie sił atomowych i badać fragmenty takich filmów – jest to wygodne i piękne. To wszystko dla mnie. Chciałbym odnieść się do literatury.

Pierwszą książkę Sonina Anatolija Stepanowicza przeczytałem ponad 20 lat temu, w 1980 r., w wydawnictwie „Centaur i natura”, potem, będąc jeszcze uczniem, zainteresowałem się ciekłymi kryształami i tak się złożyło, że Anatolij Stepanowicz Sonin był recenzentem mojej pracy magisterskiej. Bardziej współczesną publikacją jest artykuł mojego opiekuna naukowego Walerija Pietrowicza Szibajewa „Ciekłe kryształy w chemii życia”. Istnieje ogromna ilość literatury w języku angielskim; jeśli masz zainteresowanie i chęć, możesz sam znaleźć wiele rzeczy. Na przykład książka Dierkinga „Textures of Liquid Crystals”. Niedawno trafiłem na książkę skupiającą się na zastosowaniu ciekłych kryształów w biomedycynie, więc jeśli ktoś interesuje się tym konkretnym aspektem, to polecam. Jest e-mail do komunikacji, zawsze chętnie odpowiem na Twoje pytania i być może prześlę Ci kilka artykułów, jeśli będzie takie zainteresowanie. Dziękuję za uwagę.

Dyskusja na temat wykładu. Część 2

Aleksiej Bobrowski: Trzeba było pokazać jakąś specyficzną chemię. To jest moje zaniedbanie. Nie, to wieloetapowa synteza organiczna. Pobiera się jakieś proste substancje, w kolbach przypomina to chemiczną kuchnię, cząsteczki podczas takich reakcji łączą się w bardziej złożone substancje, są izolowane niemal na każdym etapie, są w jakiś sposób analizowane, ustala się zgodność struktury, którą chcemy uzyskać z danymi widmowymi, które dają nam instrumenty, abyśmy mogli mieć pewność, że jest to substancja, której potrzebujemy. Jest to dość złożona synteza sekwencyjna. Oczywiście polimery ciekłokrystaliczne wymagają jeszcze bardziej pracochłonnej syntezy, aby je otrzymać. Wygląda na to, że różne białe proszki tworzą pomarańczowe proszki. Polimer ciekłokrystaliczny wygląda jak gumka lub jest stałą, spiekaną substancją, ale jeśli go podgrzejesz i utworzysz cienką warstwę (jest to możliwe po podgrzaniu), to ta dziwna substancja daje piękne obrazy pod mikroskopem.

Borys Dołgin: Mam pytanie, może z innej dziedziny, a właściwie może najpierw Lew, potem ja, żeby nie odwracać uwagi od części merytorycznej.

Lew Moskowkin: Bardzo mnie zafascynowałeś dzisiejszym wykładem, dla mnie jest to odkrycie czegoś nowego. Pytania są proste: jak duża jest siła mięśni? Na czym to działa? A z niewiedzy, czym jest tekstura, czym różni się od struktury? Po Twoim wykładzie wydaje mi się, że wszystko, co w życiu jest zorganizowane, wszystko dzięki ciekłym kryształom, również jest w dużej mierze regulowane przez światło i słaby impuls. Dziękuję bardzo.

Aleksiej Bobrowski: Oczywiście nie można powiedzieć, że wszystko regulują ciekłe kryształy, oczywiście tak nie jest. Istnieją różne formy samoorganizacji materii, a stan ciekłokrystaliczny jest tylko jedną z takich form samoorganizacji. Jak mocne są mięśnie polimerowe? Nie znam właściwości ilościowych w porównaniu z istniejącymi urządzeniami na bazie żelaza, z grubsza oczywiście nie są one tak mocne, ale chcę powiedzieć, że na przykład nowoczesne kamizelki kuloodporne zawierają materiał Kivlar – włókno, które ma typ łańcucha głównego o strukturze ciekłokrystalicznej, polimer z grupami mezogennymi w łańcuchu głównym. W procesie otrzymywania tego włókna makrocząsteczki są rozciągane wzdłuż kierunku ciągnienia i zapewniana jest bardzo duża wytrzymałość, co pozwala na wytwarzanie mocnych włókien na kamizelki kuloodporne, siłowniki czy mięśnie, już na etapie rozwoju, ale siły można osiągnąć tam bardzo słabo. Różnica między teksturą a strukturą. Tekstura to pojęcie używane przez ludzi zajmujących się dywanami, projektowaniem rzeczy, niektórymi rzeczami wizualnymi, projektowaniem artystycznym, czyli jest to przede wszystkim wygląd. Całe szczęście, że tekstura ciekłych kryształów, czyli charakterystyczny obraz, bardzo pomaga w określeniu struktury ciekłego kryształu, ale tak naprawdę są to różne pojęcia.

Oleg Gromow, : Powiedziałeś, że istnieją polimerowe struktury ciekłokrystaliczne, które mają efekt fotochromowy oraz wrażliwość elektryczną i magnetyczną. Pytanie jest takie. Z mineralogii wiadomo także, że Czukhrow opisał ciekłokrystaliczne formacje o składzie nieorganicznym w latach 50. XX wieku i wiadomo, że polimery nieorganiczne istnieją, dlatego pojawia się pytanie: czy istnieją nieorganiczne polimery ciekłokrystaliczne, a jeśli tak, to czy jest to możliwe? wykonywać te funkcje? i jak są one realizowane w tym przypadku?

Aleksiej Bobrowski: Odpowiedź jest bardziej prawdopodobna nie niż tak. Chemia organiczna, właściwość węgla do tworzenia wielu różnych związków, umożliwiła przeprowadzenie kolosalnego projektu różnego rodzaju niskocząsteczkowych ciekłych kryształów, związków polimerowych i dlatego ogólnie możemy mówić o niektórych rodzaj różnorodności. Są to setki tysięcy substancji polimerowych o niskiej masie cząsteczkowej, które mogą tworzyć fazę ciekłokrystaliczną. W przypadku nieorganicznych nie wiem jak z polimerami, jedyne co mi przychodzi do głowy to jakieś zawiesiny tlenku wanadu, które też wydają się być polimerami, a ich struktura zwykle nie jest dokładnie ustalona, ​​a to jest na etap badań. Okazało się, że jest to trochę odbiegające od głównego nurtu nauki, gdzie wszyscy pracują nad projektem organicznych konwencjonalnych ciekłych kryształów i w rzeczywistości mogą mieć miejsce formacje liotropowych faz ciekłych kryształów, gdy faza jest indukowana nie przez zmianę temperaturze, ale przede wszystkim obecnością rozpuszczalnika, czyli są to zazwyczaj nanokryształy z konieczności wydłużone, które pod wpływem rozpuszczalnika mogą tworzyć porządek orientacyjny. Daje to specjalnie przygotowany tlenek wanadu. Być może nie znam innych przykładów. Wiem, że takich przykładów jest kilka, ale twierdzenie, że jest to polimer, nie jest do końca poprawne.

Oleg Gromow, Instytut Biochemii i Chemii Analitycznej Rosyjskiej Akademii Nauk: Jak zatem powinniśmy traktować formacje ciekłokrystaliczne odkryte przez Czuchrowa i innych w latach 50. XX wieku?

Aleksiej Bobrowski: Nie wiem, niestety, ten obszar jest daleko ode mnie. O ile mi wiadomo, wydaje mi się, że z pewnością nie można mówić konkretnie o stanie ciekłokrystalicznym, ponieważ słowo „ciecz” szczerze mówiąc nie ma zastosowania do polimerów, które są w stanie szklistym. Błędem jest stwierdzenie, że jest to faza ciekłokrystaliczna; poprawne jest określenie „zamrożona faza ciekłokrystaliczna”. Prawdopodobnie podobieństwo, porządek zdegenerowany, gdy nie ma porządku trójwymiarowego, ale jest porządek dwuwymiarowy, jest prawdopodobnie zjawiskiem powszechnym i jeśli się przyjrzysz, możesz znaleźć wiele miejsc. Jeśli prześlesz linki do takich prac na mój e-mail, będę bardzo wdzięczny.

Borys Dołgin: Bardzo dobrze, gdy uda nam się stać kolejną platformą, na której naukowcy różnych specjalności mogą utrzymywać kontakt.

Aleksiej Bobrowski: Wspaniale

Głos z widowni: Kolejne amatorskie pytanie. Powiedziałeś, że fotochromowe polimery ciekłokrystaliczne mają stosunkowo niski współczynnik reakcji na zmiany w środowisku. Jaka jest ich przybliżona prędkość?

Aleksiej Bobrowski: Mówimy o odpowiedzi w ciągu kilku minut. W przypadku silnego naświetlenia bardzo cienkich filmów ludzie osiągają drugą reakcję, ale jak dotąd wszystko to przebiega powoli. Jest taki problem. Są efekty, które wiążą się z czymś innym (nie mówiłem o tym): mamy folię polimerową, a w niej znajdują się fragmenty fotochromowe i możemy być wystawieni na działanie światła spolaryzowanego o odpowiednim natężeniu, a to światło może powodować dyfuzja rotacyjna, czyli rotacja tych cząsteczek prostopadle do płaszczyzny polaryzacji - istnieje taki efekt, początkowo odkryto go dawno temu, teraz też jest to badane i ja też to robię. Przy odpowiednio dużym natężeniu światła efekty można zaobserwować już w ciągu milisekund, jednak zazwyczaj nie jest to związane ze zmianą geometrii folii, lecz wewnętrznie, przede wszystkim zmieniają się właściwości optyczne.

Aleksiej Bobrowski: Była próba wykonania materiału do zapisu informacji i były takie opracowania, ale o ile mi wiadomo, takie materiały nie mogą konkurować z istniejącym zapisem magnetycznym i innymi materiałami nieorganicznymi, więc jakoś zainteresowanie w tym kierunku wymarło, ale to nie oznacza, że ​​nie zostanie wznowione.

Borys Dołgin: Pojawienie się, powiedzmy, nowych wymagań z powodu czegoś.

Aleksiej Bobrowski: Utylitarna strona sprawy nie interesuje mnie zbytnio.

Borys Dołgin: Moje pytanie jest częściowo z tym związane, ale nie dotyczy tego, jak można go wykorzystać, jest trochę utylitarne organizacyjnie. W obszarze, w którym pracujesz w swoim dziale i tak dalej, jak powiedzieliśmy, masz wspólne projekty, zamówienia z niektórych struktur biznesowych i tak dalej. Jak ogólnie wygląda struktura interakcji w tym obszarze: rzeczywisty naukowiec, mówiąc relatywnie, wynalazca/inżynier lub wynalazca, następnie inżynier, może różne podmioty, a następnie, relatywnie rzecz biorąc, jakiś przedsiębiorca, który rozumie, co z tym zrobić, może, ale to mało prawdopodobne, inwestor, który jest gotowy dać przedsiębiorcy pieniądze, aby ten mógł zrealizować ten, jak się teraz mówi, nowatorski projekt? Jak zbudowany jest ten łańcuch w twoim środowisku do tego stopnia, że ​​w jakiś sposób zetknąłeś się z nim?

Aleksiej Bobrowski: Nie ma jeszcze takiego łańcucha i nie wiadomo, czy taki będzie. W zasadzie idealna forma finansowania jest taka sama jak w przypadku konwencjonalnej nauki podstawowej. Jeśli za podstawę weźmiemy Rosyjską Fundację Badań Podstawowych i to wszystko, co było omawiane wiele razy, ponieważ osobiście nie chciałbym robić czegoś tak stosowanego, rozkazu.

Borys Dołgin: Dlatego mówię o różnych tematach i w żadnym wypadku nie twierdzę, że naukowiec musi być inżynierem, przedsiębiorcą i tak dalej. Mówię o różnych tematach, o tym, jak można skonfigurować interakcję, jak interakcja może już działać.

Aleksiej Bobrowski: Mamy różne oferty z zewnątrz, ale są to głównie firmy z Tajwanu, Korei i Azji, na różnego rodzaju prace związane z wykorzystaniem polimerów ciekłokrystalicznych do różnych zastosowań wyświetlaczy. Mieliśmy wspólny projekt z Philipsem, Merckiem i innymi, ale odbywa się to w ramach wspólnego projektu - wykonujemy część niektórych prac badawczych i taki dorobek intelektualny lub dorobek w postaci próbek polimerów ma albo kontynuację, albo nie, ale najczęściej kończy się wymianą opinii, jakimś rozwojem naukowym, ale to nie znalazło jeszcze żadnego zastosowania. Poważnie - nie da się powiedzieć.

Borys Dołgin: Dostajesz zlecenie na jakieś badania, opracowanie jakiejś opcji, jakiegoś pomysłu.

Aleksiej Bobrowski: Generalnie tak, to się zdarza, ale nie podoba mi się ta forma pracy (moje osobiste odczucie). Cokolwiek przyszło mi do głowy, robię to najlepiej jak potrafię, a nie dlatego, że ktoś powiedział: „Zrób taki a taki film o takich właściwościach”. Nie jestem zainteresowany.

Borys Dołgin: Wyobraź sobie osobę, która jest tym zainteresowana. Jak mógłby on, on, zainteresowany udoskonaleniem waszych ogólnych idei naukowych, które otrzymaliście z waszych altruistycznych, ściśle naukowych zainteresowań, jak mógłby współdziałać z wami w sposób, który byłby naprawdę interesujący dla was obojga? Co to jest ten schemat organizacyjny?

Aleksiej Bobrowski: Trudno mi odpowiedzieć.

Borys Dołgin: Seminaria ogólne? Co to może być? Nie ma takich prób - jacyś inżynierowie?..

Aleksiej Bobrowski: W ramach wspólnego projektu wszystko można zrealizować. Pewien rodzaj interakcji jest całkiem możliwy, ale prawdopodobnie nie do końca zrozumiałem pytanie, w czym tkwi problem?

Borys Dołgin: Jak dotąd problemem jest brak interakcji pomiędzy różnymi typami konstrukcji. Wywiera presję na ciebie jako naukowca lub wywiera presję, abyś zrobił rzeczy, których możesz nie chcieć robić. To jest problem.

Aleksiej Bobrowski: Jest to problem kolosalnego niedofinansowania

Borys Dołgin: Wyobraź sobie, że pojawią się dodatkowe fundusze, ale nie wyeliminuje to potrzeby rozwoju technicznego. Jak możesz przejść od siebie do technologii w sposób, który Cię satysfakcjonuje?

Aleksiej Bobrowski: Fakt jest taki, że współczesna nauka jest dość otwarta i to, co robię, publikuję – i im szybciej, tym lepiej.

Borys Dołgin: Więc jesteś gotowy podzielić się wynikami, mając nadzieję, że ci, którzy mają gust, będą mogli z tego skorzystać?

Aleksiej Bobrowski: Jeśli ktoś przeczyta mój artykuł i ma jakiś pomysł, będę tylko wdzięczny. Jeśli z tej publikacji wynikną konkretne ustalenia, będą patenty i pieniądze, na litość boską. W takiej formie byłbym szczęśliwy, ale niestety w rzeczywistości okazuje się, że wszystko istnieje równolegle, nie ma takiego wyjścia. Historia nauki pokazuje, że po jakimś fundamentalnym odkryciu – dużym lub małym – często następuje opóźnienie w konkretnym zastosowaniu.

Borys Dołgin: Lub po pojawieniu się żądania.

Aleksiej Bobrowski: Lub tak.

Lew Moskowkin: Mam trochę prowokacyjne pytanie. Temat, który poruszył Borys, jest bardzo ważny. Czy jest tu wpływ jakiejś mody (słyszano to na jednym z wykładów z socjologii)? Powiedziałeś, że praca z ciekłymi kryształami nie jest teraz modna. Nie oznacza to jednak, że skoro się nimi nie zajmują, to nie są potrzebni, może to zainteresowanie powróci, a co najważniejsze…

Borys Dołgin: To znaczy Lew przywraca nas do pytania o mechanizmy mody w nauce, jak i w pewnym środowisku naukowym.

Lew Moskowkin: Właściwie Czajkowski też o tym mówił; moda jest tam niezwykle silna we wszystkich naukach. Pytanie drugie: Dobrze wiem, jak wybierano autorytety w nauce, które umiały generalizować. Możesz publikować swoje materiały do ​​woli, ja osobiście nigdy się z nimi nie spotkałem, dla mnie to cała warstwa, której po prostu nie znałem. Podsumuj w taki sposób, aby zrozumieć wartość tego dla zrozumienia samego życia, dla zrozumienia, co jeszcze możemy zrobić. Dziękuję.

Borys Dołgin: Nie zrozumiałem drugiego pytania, ale zajmijmy się na razie pierwszym – dotyczącym mody w nauce. Jaki jest mechanizm, dlaczego to nie jest teraz modne, czy jest w tym jakieś zagrożenie?

Aleksiej Bobrowski: Nie widzę żadnego zagrożenia. Jasne jest, że kwestie związane z finansowaniem są ważne, niemniej jednak wydaje mi się, że nauka pod wieloma względami opiera się obecnie na konkretnych ludziach, którzy mają określone zainteresowania osobiste, zainteresowanie tą czy inną kwestią. Jasne, że warunki narzucają pewne ograniczenia, jednak działalność konkretnych ludzi powoduje, że dany obszar się rozwija, tak jak wszystko się rozwija. Pomimo tego, że wiele mówi się o tym, że nauka stała się kolektywna. Rzeczywiście, teraz powstają duże projekty, czasem całkiem udane, ale mimo to rola jednostki w historii nauki jest nawet teraz ogromna. Osobiste upodobania i zainteresowania odgrywają znaczącą rolę. Oczywiste jest, że podobnie jak w przypadku ciekłych kryształów, taki rozwój elektroniki stał się wielkim impulsem do rozwoju badań nad ciekłymi kryształami, kiedy zdali sobie sprawę, że ciekłe kryształy można wykorzystać i oczywiście dużo na tym zarobić pieniędzy poszło na badania. Wiadomo, że takie połączenie...

Borys Dołgin: Informacje zwrotne od biznesu i nauki.

Aleksiej Bobrowski: ...to jedna z cech współczesnej nauki, gdy zamówienie przychodzi od ludzi, którzy zarabiają i wytwarzają produkt - a następnie finansowane są badania i w związku z tym następuje przesunięcie akcentu z tego, co interesujące co jest opłacalne. Ma to swoje wady i zalety, ale tak właśnie jest. Rzeczywiście, obecnie zainteresowanie ciekłymi kryształami stopniowo maleje, ponieważ wszystko, co można wydobyć, jest już produkowane i wszystko pozostaje do udoskonalenia. Nie wiem, nigdy się nad tym poważnie nie zastanawiałem, niemniej jednak są różne zastosowania wyświetlaczy, w optoelektronice, zastosowania ciekłych kryształów (ludzie nad tym pracują), jako czujniki, do tego stopnia, że ​​prace trwają nad możliwością wykorzystania ciekłych kryształów jako cząsteczek czujnika biologicznego. Tak więc w sumie myślę, że zainteresowanie po prostu nie wyschnie, w dodatku duża fala badań wiąże się z tym, że zaczęto dawać pieniądze na nano. W zasadzie, mimo że tak popularną modą jest umieszczanie nanocząstek w ciekłych kryształach, prac jest sporo, ale wśród nich są dobre i ciekawe prace związane z tą tematyką, czyli tym, co dzieje się z nanoobiektami, kiedy wejść do ośrodka ciekłokrystalicznego jakie pojawiają się efekty. Myślę, że możliwy jest rozwój w zakresie otrzymywania różnego rodzaju skomplikowanych urządzeń, co wiąże się z pojawieniem się metamateriałów posiadających bardzo ciekawe właściwości optyczne – są to niezwykłe struktury, które powstają na różne sposoby w połączeniu z ciekłymi kryształami, pojawieniem się możliwe są nowe efekty optyczne i nowe zastosowania. Aktualnie recenzuję artykuły w czasopiśmie Liquid Crystals i ich poziom spada, a liczba dobrych artykułów maleje, ale to nie znaczy, że wszystko jest złe i nauka o ciekłych kryształach nie umrze, bo jest to bardzo ciekawy obiekt. Spadek zainteresowania nie wygląda mi na katastrofę.

Borys Dołgin: Tutaj powoli przechodzimy do drugiego pytania zadanego nam przez Leo. Jeśli na podstawie istniejącej narodzi się jakaś całkowicie nowa teoria, obiecująca coś plusa dla ciekłych kryształów, najwyraźniej zainteresowanie natychmiast wzrośnie.

Aleksiej Bobrowski: Możliwe, że tak się stanie.

Borys Dołgin: O ile rozumiem pytanie, mówimy o tym: istnieją teksty wewnątrznaukowe, które stopniowo zmieniają coś w rozumieniu, są teksty innowacyjne, które zmieniają się radykalnie, ale jednocześnie jest to rodzaj interfejsu między specjalistami a społeczeństwem, być może składający się z tych samych naukowców, ale z innych dziedzin, istnieją prace uogólniające, które nam wyjaśniają, jakby wlutowując te fragmenty w jakiś ogólny obraz. Jak rozumiem, Lew rozmawiał z nami na ten temat, pytając, jak to jest wybierane i kto pisze te uogólniające prace?

Aleksiej Bobrowski: Istnieje taka koncepcja - dziennikarstwo naukowe, które w naszym kraju nie jest zbyt rozwinięte, ale istnieje na całym świecie i wyobrażam sobie, jak dobrze jest tam rozwinięte, a mimo to istnieje i u nas. Wskazuje na to także obecny wykład publiczny

Borys Dołgin: Nie można powiedzieć, że ktoś celowo zamyka zakres prac.

Aleksiej Bobrowski: Nie, nikt niczego nie ukrywa, wręcz przeciwnie, wszyscy normalni naukowcy starają się pokazać światu, czego dokonali: tak szybko, jak to możliwe i możliwie przystępnie, najlepiej jak potrafią. Wiadomo, że ktoś może opowiedzieć dobrą historię, a ktoś złą, ale od tego właśnie są dziennikarze naukowi, którzy mogą pełnić rolę przekaźnika informacji od naukowców do społeczeństwa.

Borys Dołgin: Już w czasach sowieckich istniała literatura popularno-naukowa, istniał też specjalny gatunek - fantastyka naukowa, częściowo zbiory „Ścieżki w nieznane” z początku lat 60., książki z serii „Eureka”, jedna z pierwszych post- pionierami wojny był Daniil Danin, który pisał głównie o fizyce. Inną kwestią jest to, że wciąż istnieją naukowcy, którzy piszą jakieś prace uogólniające, popularyzujące coś dla kogoś, ale jest mało prawdopodobne, że ktoś wybiera, kto będzie pisać i kogo czytać, a kogo nie. Wspomniany Czajkowski coś pisze, komuś się to podoba.

Aleksiej Bobrowski: Wydaje mi się, że problem polega na tym. Faktem jest, że w naszym kraju jest obecnie katastrofalnie niewielu normalnych naukowców, a stan samej nauki jest gorszy niż kiedykolwiek. Jeśli mówimy o ciekłych kryształach i polimerach ciekłokrystalicznych, to są to izolowane laboratoria, które już wymierają. Oczywiste jest, że w latach 90. nastąpił jakiś upadek i koszmar, ale ogólnie można powiedzieć, że w Rosji nie ma nauki o ciekłych kryształach. To znaczy - środowisko naukowe, okazuje się, że częściej komunikuję się z ludźmi, którzy pracują za granicą, czytam artykuły i tak dalej, ale praktycznie nie ma artykułów od nas. Problem w tym, że nie mamy nauki, a nie, że nie ma w tej nauce prac uogólniających. Można uogólniać to, co dzieje się na Zachodzie – to też jest cudowne, ale nie ma podstaw, żadnego istotnego powiązania, nie ma naukowców.

Lew Moskowkin: Wyjaśnię, chociaż w zasadzie wszystko się zgadza. Fakt jest taki, że cały czas kręcimy się wokół tematu ostatniego wykładu. Konkurencja w nauce pomiędzy naukowcami jest tak duża, że ​​niezmiernie mi schlebia, że ​​mogłem to zobaczyć na własne oczy i zgadzam się, że każdy naukowiec stara się pokazywać światu swoje osiągnięcia. Jest to dostępne tylko dla kogoś, kto jest uznanym autorytetem, jak Timofeev-Resovsky. Robiono to w czasach sowieckich – wiadomo jak – i tu mamy efekt, przykład, który może wiele wyjaśnić – efekt zielonego zeszytu, który nie wiadomo gdzie został opublikowany i nikt nie pamięta, co to była zwykła konferencja powołano, bo żadne czasopismo obecnie akredytowane przez Wyższą Komisję Atestacyjną, czasopismo akademickie, w zasadzie nie zaakceptowałoby takiej nowości, a dało początek nowej nauce, przekształciło się w naukę o genetyce, w naukę o życiu, i to w ogóle jest już znane. Miało to miejsce w czasach sowieckich przy wsparciu z góry - Timofiejew-Resowski został poparty na plenum Komitetu Centralnego KPZR ze strony konkurencji swoich kolegów, w przeciwnym razie zostałby zjedzony.

Borys Dołgin: Sytuacja, w której państwo wykończyło znaczną część nauki: bez wsparcia innych podstaw państwa nie można było uciec.

Lew Moskowkin: W genetyce panuje lawina danych, których nie ma kto uogólniać, bo nikt nikomu nie ufa i nikt nie uznaje autorytetu innych.

Borys Dołgin: Dlaczego?! Rozmawialiśmy z genetykami, których słuchali inni genetycy i dyskutowali z przyjemnością.

Aleksiej Bobrowski: Nie wiem, co dzieje się w genetyce, ale w nauce, którą się zajmuję, sytuacja jest zupełnie odwrotna. Osoby, które od razu dostają nowy interesujący wynik, starają się go opublikować tak szybko, jak to możliwe.

Borys Dołgin: Przynajmniej w interesie konkurencji - aby wytyczyć miejsce.

Aleksiej Bobrowski: Tak. Oczywiste jest, że może nie zapisują niektórych szczegółów metod itp., Ale zazwyczaj, jeśli napiszesz e-mail i zapytasz, jak to zrobiłeś, jest to po prostu bardzo interesujące, wszystko otwiera się całkowicie - i.. .

Borys Dołgin: Z Twoich obserwacji wynika, że ​​nauka staje się coraz bardziej otwarta.

Aleksiej Bobrowski: Przynajmniej żyję w epoce otwartej nauki i to dobrze.

Borys Dołgin: Dziękuję. Kiedy biolodzy molekularni rozmawiali z nami, zwykle odsyłali nas do całkiem otwartych baz danych itd. i zalecali, abyśmy się z nimi skontaktowali.

Aleksiej Bobrowski: W fizyce jest to samo, jest archiwum, w którym ludzie mogą opublikować surową (kontrowersyjną) wersję artykułu jeszcze przed przejrzeniem recenzji, ale tutaj jest raczej walka o szybkość publikacji, im szybciej są one publikowane priorytet. Nie widzę żadnego zamknięcia. Oczywiste jest, że nie ma to nic wspólnego z zamkniętą armią i innymi, mówię o nauce.

Borys Dołgin: Dziękuję. Więcej pytań?

Głos z widowni: Nie mam tyle pytań, co propozycję, pomysł. Myślę, że motyw obrazów krystalizacyjnych ma ogromny potencjał w nauczaniu przedmiotów ścisłych dzieci i młodzieży w szkołach. Może warto stworzyć jedną lekcję elektroniczną, przewidzianą na 45 minut i rozesłać ją do szkół średnich? Obecnie istnieją tablice elektroniczne, z których wiele osób nie korzysta; nakazano je mieć szkołom. Myślę, że fajnie byłoby pokazać te obrazki dzieciom przez 45 minut, a na koniec wyjaśnić, jak to się robi. Wydaje mi się, że ciekawie byłoby zaproponować taki temat i w jakiś sposób go sfinansować.

Aleksiej Bobrowski: Jestem gotowy pomóc, jeśli coś się stanie. Podaj, napisz co potrzeba.

Borys Dołgin: Niesamowity. Tak powstają uogólnienia, tak to jest uporządkowane. Cienki. Wielkie dzięki. Jakieś inne kreatywne pytania? Może za kimś tęsknili, my ich nie widzimy, moim zdaniem, głównie o tym rozmawiali.

Borys Dołgin: Są naukowcy, nie ma nauki.

Borys Dołgin: Czyli jest to warunek konieczny czy konieczny i wystarczający?

Aleksiej Bobrowski: Tak, szkody są nieodwracalne, czas został stracony, jest to całkowicie oczywiste i oczywiście brzmi: „Jak to jest, że w Rosji nie ma nauki?! Dlaczego? Tak być nie może, jest nauka, są naukowcy, są artykuły.” Po pierwsze, na poziomie podstawowym, na co dzień czytam czasopisma naukowe. Bardzo rzadko można spotkać artykuły autorów rosyjskich, wyprodukowane w Rosji, na temat ciekłych kryształów lub polimerów. Dzieje się tak dlatego, że albo nic się nie dzieje, albo wszystko dzieje się na tak niskim poziomie, że ludzie nie są w stanie tego opublikować w normalnym czasopiśmie naukowym; oczywiście nikt ich nie zna. To absolutnie straszna sytuacja.

Aleksiej Bobrowski: Więcej i więcej.

Borys Dołgin: Oznacza to, że problem nie leży po stronie autorów, problem leży po stronie nauki.

Aleksiej Bobrowski: Tak, to znaczy, oczywiście, w Rosji nie ma idealnej, dobrze funkcjonującej struktury lub przynajmniej działającej w jakiś sposób pod nazwą „Nauka”. Na szczęście panuje otwartość laboratoriów, które pracują mniej więcej na normalnym poziomie i biorą udział w ogólnym procesie naukowym nauki międzynarodowej – to rozwój możliwości komunikacji za pośrednictwem Internetu, inaczej otwartość granic pozwala nie czuć się oddzielonym od światowego procesu naukowego, ale to, co dzieje się w kraju, więc oczywiście pieniędzy jest za mało i jeśli zwiększyć finansowanie, to raczej nic nie zmieni, ponieważ równolegle ze zwiększaniem środków konieczne jest aby móc zbadać osoby, którym te pieniądze są przekazywane. Można dać pieniądze, ktoś je ukradnie, wydać na nie wiadomo na co, ale sytuacja się nie zmieni.

Borys Dołgin: Ściśle mówiąc, mamy problem z kurą i jajkiem. Z jednej strony bez finansowania nauki nie stworzymy, z drugiej strony z finansowaniem, ale bez środowiska naukowego, które zapewni rynek wiedzy specjalistycznej i zapewni normalną reputację, nie będziemy w stanie tych pieniędzy przekazać w sposób, który pomoże nauce.

Aleksiej Bobrowski Innymi słowy, konieczne jest przyciągnięcie międzynarodowej wiedzy specjalistycznej i ocen ze strony silnych naukowców, niezależnie od kraju, w którym się znajdują. Naturalnie konieczne jest przejście na język angielski spraw certyfikacyjnych związanych z obroną prac kandydackich i doktoranckich; Przynajmniej streszczenia muszą być w języku angielskim. To jest zupełnie oczywiste i będzie jakiś ruch w tym kierunku, może to się jakoś zmieni na lepsze i tak – jeśli każdemu da się pieniądze… oczywiście silnym naukowcom, którzy dostaną więcej pieniędzy – oni oczywiście, będzie działać wydajniej, ale większość pieniędzy zniknie i nikt nie wie gdzie. To jest moja opinia.

Borys Dołgin: Proszę, powiedz mi, jesteś młodym naukowcem, ale już jesteś doktorem nauk, a młodzi ludzie przychodzą do ciebie w innym sensie, studenci, młodsi naukowcy. Czy są tacy, którzy po ciebie przychodzą?

Aleksiej Bobrowski: Pracuję na Uniwersytecie i chcąc nie chcąc, czasem chcę, czasem nie chcę, nadzoruję prace dydaktyczne, dyplomowe i podyplomowe.

Borys Dołgin: Czy są wśród nich przyszli naukowcy?

Aleksiej Bobrowski: Ma już. Są osoby, które z powodzeniem nadzorowałem, np. postdoktorowie czy kierownicy grup naukowych, mówimy oczywiście tylko o zagranicy. Ci, których prowadziłem i którzy pozostali w Rosji, nie pracują w nauce, bo muszą wyżywić rodzinę i normalnie żyć.

Borys Dołgin: Dziękuję, czyli finanse.

Aleksiej Bobrowski: Oczywiście finansowanie i płace nie wytrzymują krytyki.

Borys Dołgin: To nadal jest prywatne...

Aleksiej Bobrowski: Nie ma w tym żadnej tajemnicy. Wynagrodzenie starszego pracownika naukowego z minimum kandydata na Uniwersytecie wynosi piętnaście tysięcy rubli miesięcznie. Wszystko inne zależy od aktywności naukowca: jeśli uda mu się pozyskać granty i projekty międzynarodowe, to otrzyma więcej, ale na pewno może liczyć na piętnaście tysięcy rubli miesięcznie.

Borys Dołgin: A co z doktoratem?

Aleksiej Bobrowski: Jeszcze mi nie dali, nie wiem dokładnie, ile mi jeszcze dadzą, do tego dodadzą cztery tysiące.

Borys Dołgin: Wspomniane dotacje są dość ważną rzeczą. Właśnie dzisiaj opublikowaliśmy wiadomość nadesłaną przez interesującego badacza, ale kiedy padło pytanie o finansowanie, mówiła w szczególności o znaczeniu tego obszaru i znowu, nie mówiąc już o naszych publikacjach, minister Fursenko twierdzi, że opiekunowie naukowi powinni przyznawać granty finansowanie absolwentów, a tym samym motywowanie ich finansowo.

Aleksiej Bobrowski: Nie, tak się zwykle dzieje w dobrej grupie naukowej, jeśli osoba taka jak Walerij Pietrowicz Szibajew, kierownik laboratorium, w którym pracuję, ma wielkie, zasłużone imię w świecie naukowym, ma szansę na granty i projekty. Najczęściej nie kończę z „gołą” pensją w wysokości piętnastu tysięcy, zawsze są jakieś projekty, ale nie każdemu się to udaje, to nie jest ogólna zasada, dlatego wszyscy odchodzą.

Borys Dołgin: Oznacza to, że lider musi mieć dość wysoki autorytet międzynarodowy, a także znajdować się w ciągłym ruchu.

Aleksiej Bobrowski: Tak, najczęściej. Myślę, że pod wieloma względami miałem szczęście. Element przyłączenia się do silnej grupy naukowej zadziałał pozytywnie.

Borys Dołgin: Tutaj widzimy informację zwrotną od starej, dobrej nauki, fakt, że powstała ta najpotężniejsza grupa naukowa, dzięki której byliście w stanie zrealizować swoją trajektorię. Tak, to bardzo interesujące, dziękuję. Mam ostatnie słowo.

Głos z widowni: Nie udaję, że mam ostatnie słowo. Chciałbym zaznaczyć, że to o czym mówisz jest w pełni zrozumiałe i nie traktuj tego jako sportu. Chcę zauważyć, że w wykładzie Aleksieja Savvateeva powiedziano, że w Ameryce w ogóle nie ma nauki. Jego punkt widzenia jest równie przekonująco uzasadniony jak Twój. Z drugiej strony w Rosji nauka rozwijała się szczególnie szybko, kiedy nauka w ogóle nie płaciła, ale była aktywnie kradnięta i takie rzeczy się zdarzały.

Borys Dołgin: Czy mówimy o końcu XIX - początku XX wieku?

Borys Dołgin: W Niemczech?

Borys Dołgin: A kiedy jego badania naukowe bardziej się rozwinęły...

Głos z widowni: W Rosji nie on, ale w Rosji w ogóle nauka rozwijała się najskuteczniej, gdy nie płacono. Jest takie zjawisko. Potrafię to uzasadnić, to nie jest punkt widzenia, Borys, to jest fakt. Chcę też całkiem odpowiedzialnie powiedzieć – to już nie fakt, ale konkluzja – że wasze nadzieje, że międzynarodowa wiedza i język angielski wam pomogą, są daremne, bo pracując w Dumie, widzę ostrą rywalizację o prawa oraz lobbowanie w Dumie na rzecz jednostronnych praw autorskich wobec Ameryki. Wszyscy przypisują ogromny procent własności intelektualnej, wcale nie są zainteresowani tym, aby nasza broń nie została tam skopiowana, robią to sami.

Borys Dołgin: Rozumiem, problem...

Aleksiej Bobrowski: Broń i nauka to sprawy równoległe.

Głos z widowni: Ostatni przykład: faktem jest, że kiedy Żeńka Ananyew, on i ja, studiowaliśmy razem na Wydziale Biologii, odkryliśmy ruchome elementy w genomie Drosophila, uznanie przyszło dopiero po publikacji w czasopiśmie „Chromosomy”, ale autorytet Khisina to przełamał publikacji, bo recenzja brzmiała tak: „w waszej ciemnej Rosji nie wiedzą, jak replikować DNA”. Dziękuję.

Borys Dołgin: Problemem są wyobrażenia o poziomie badań naukowych w danym kraju przy braku sztywnego, jasnego systemu recenzowania artykułów, gdy stosuje się ogólne pomysły.

Aleksiej Bobrowski: Jeśli chodzi o język angielski, wszystko jest bardzo proste - jest to międzynarodowy język naukowy. Każdy naukowiec zajmujący się nauką, na przykład w Niemczech, Niemiec publikuje prawie wszystkie swoje artykuły w języku angielskim. Swoją drogą, w Niemczech wiele prac doktorskich broni się po angielsku, nie mówiąc już o Danii i Holandii, choćby dlatego, że jest tam wielu obcokrajowców. Nauka ma charakter międzynarodowy. Historycznie językiem nauki jest język angielski.

Borys Dołgin: Tak się niedawno złożyło, że językiem nauki był niemiecki.

Aleksiej Bobrowski: Stosunkowo niedawno, ale jednak teraz tak jest, więc przejście na język angielski było oczywiste, przynajmniej na poziomie abstraktów i certyfikacji, tak że normalni zachodni naukowcy mogli przeczytać te streszczenia, wyrazić opinię, ocenić, aby wydostańcie się z naszego bagna, bo inaczej wszystko całkowicie pogrąży się w nieznanym i pozostanie kompletna profanacja. To już się dzieje na wiele sposobów, ale musimy jakoś spróbować wydostać się z tego bagna.

Borys Dołgin: Otwórz okna, aby uniknąć nieprzyjemnych zapachów.

Aleksiej Bobrowski: Przynajmniej zacznij wietrzyć.

Borys Dołgin: Cienki. Dziękuję. To optymistyczny przepis. Tak naprawdę Twoja trajektoria napawa optymizmem, pomimo całego pesymizmu.

Aleksiej Bobrowski: Znów odeszliśmy od tego, że główną ideą wykładu jest pokazanie Państwu, jak piękne i ciekawe są ciekłe kryształy. Mam nadzieję, że wszystko, co powiedziałem, wzbudzi jakieś zainteresowanie. Teraz możesz znaleźć wiele informacji na temat ciekłych kryształów, to jest pierwsza rzecz. A po drugie, niezależnie od warunków, naukowcy zawsze będą istnieć, nic nie jest w stanie zatrzymać postępu naukowego, to też napawa optymizmem, a historia pokazuje, że zawsze są ludzie, którzy popychają naukę do przodu, dla których nauka jest przede wszystkim.

W cyklach „Wykłady publiczne „Polit.ru” i „Wykłady publiczne „Polit.ua”” wystąpili następujący prelegenci:

• Leonarda Policzuka. Dlaczego duże zwierzęta wyginęły w późnym plejstocenie? Odpowiedź z punktu widzenia makroekologii
• Mirosław Marinowicz. Szkolenie duchowe Gułagu
• Cyryl Eskow. Ewolucja i autokataliza
• Michaił Sokołow. Jak zarządzana jest produktywność naukowa. Doświadczenia z Wielkiej Brytanii, Niemiec, Rosji, USA i Francji
• Oleg Ustenko. Historia niedokończonego kryzysu
• Grigorij Sapow. Manifest kapitalistyczny. Życie i losy książki L. von Misesa „Human Activity”
• Aleksander Irwanec. A więc taki właśnie jesteś, wujku pisarzu!
• Włodzimierz Katanajew. Nowoczesne podejścia do opracowywania leków przeciwnowotworowych
• Vakhtanga Kipiani. Okresowy samizdat na Ukrainie. 1965-1991
• Witalij Naiszul. Przyjęcie kultury przez Kościół
• Nikołaj Kawerin. Pandemie grypy w historii ludzkości
• Aleksander Filonenko. Teologia na uniwersytecie: powrót?
• Aleksiej Kondraszew. Biologia ewolucyjna człowieka i zdrowie
• Siergiej Gradirowski. Współczesne wyzwania demograficzne
• Aleksander Kisłow. Klimat w przeszłości, teraźniejszości i przyszłości
• Aleksander Auzan, Aleksander Paschawer. Ekonomia: ograniczenia społeczne lub rezerwy społeczne
• Konstanty Popadin. Miłość i szkodliwe mutacje, czyli dlaczego paw potrzebuje długiego ogona?
• Andrzej Ostalski. Wyzwania i zagrożenia wolności słowa we współczesnym świecie
• Leonid Ponomariew. Ile energii potrzebuje człowiek?
• Georgesa Nivata. Tłumaczenie ciemności: sposoby komunikacji między kulturami
• Włodzimierz Gelman. Subnarodowy autorytaryzm we współczesnej Rosji
• Wiaczesław Lichaczow. Strach i wstręt na Ukrainie
• Jewgienij Gontmacher. Modernizacja Rosji: stanowisko INSOR
• Donalda Boudreau. Polityka antymonopolowa w służbie interesów prywatnych
• Siergiej Enikolopow. Psychologia przemocy
• Włodzimierz Kulik. Polityka językowa Ukrainy: działania władz, opinie obywateli
• Michaił Blinkin. Transport w mieście wygodnym do życia
• Aleksiej Lidow, Gleb Iwakin. Święta przestrzeń starożytnego Kijowa
• Aleksiej Savvateev. Dokąd zmierza (i prowadzi nas) ekonomia?
• Andriej Portnow. Historyk. Obywatel. Państwo. Doświadczenie budowania narodu
• Paweł Plechow. Wulkany i wulkanologia
• Natalia Wysocka. Współczesna literatura amerykańska w kontekście pluralizmu kulturowego
• Dyskusja z Aleksandrem Auzanem. Co to jest modernizacja po rosyjsku?
• Andriej Portnow. Ćwiczenia z historii w języku ukraińskim: wyniki i perspektywy
• Aleksiej Lidow. Ikona i ikona w przestrzeni sakralnej
• Efim Rachewski. Szkoła jako winda społeczna
• Aleksandra Gnatiuk. Architekci porozumienia polsko-ukraińskiego okresu międzywojennego (1918-1939)
• Władimir Zacharow. Ekstremalne fale w przyrodzie i w laboratorium
• Siergiej Niekliudow. Literatura jako tradycja
• Jakow Giliński. Po drugiej stronie zakazu: zdanie kryminologa
• Daniił Aleksandrow. Warstwy środkowe w tranzytowych społeczeństwach poradzieckich
• Tatiana Nefedova, Aleksander Nikulin. Wiejska Rosja: kompresja przestrzenna i polaryzacja społeczna
• Aleksander Zinczenko. Guziki z Charkowa. Wszystko, czego nie pamiętamy o ukraińskim Katyniu
• Aleksander Markow. Ewolucyjne korzenie dobra i zła: bakterie, mrówki, ludzie
• Michaił Faworow. Szczepionki, szczepienia i ich rola w zdrowiu publicznym
• Wasilij Zagnitko. Aktywność wulkaniczna i tektoniczna Ziemi: przyczyny, skutki, perspektywy
• Konstanty Sonin. Ekonomia kryzysu finansowego. Dwa lata później
• Konstanty Sigow. Kto szuka prawdy? „Europejski słownik filozofii”?
• Mykoła Ryabczuk. Ukraińska transformacja postkomunistyczna
• Michaił Gelfand. Bioinformatyka: biologia molekularna między probówką a komputerem
• Konstanty Sewerynow. Dziedziczność u bakterii: od Lamarcka do Darwina i z powrotem
• Michaił Czernysz, Elena Daniłowa. Ludzie w Szanghaju i Petersburgu: era wielkich zmian
• Maria Judkiewicz. Przydaje się tam, gdzie się urodziłeś: polityka personalna uczelni
• Nikołaj Andriejew. Studia matematyczne - nowa forma tradycji
• Dmitrij Bąk. „Nowoczesna” literatura rosyjska: zmiana kanonu
• Siergiej Popow. Hipotezy w astrofizyce: dlaczego ciemna materia jest lepsza od UFO?
• Wadim Skuratowski. Kijowskie środowisko literackie lat 60. – 70. ubiegłego wieku
• Włodzimierz Dvorkin. Broń strategiczna Rosji i Ameryki: problemy redukcji
• Aleksiej Lidow. Mit bizantyjski i tożsamość europejska
• Natalia Jakowenko. Koncepcja nowego podręcznika historii Ukrainy
• Andriej Łankow. Modernizacja w Azji Wschodniej, 1945-2010.
• Siergiej Słucz. Dlaczego Stalin potrzebował paktu o nieagresji z Hitlerem?
• Guzel Ulumbekova. Wnioski z rosyjskich reform służby zdrowia
• Andriej Ryabow. Pośrednie skutki i niektóre cechy transformacji poradzieckich
• Włodzimierz Czetwernin. Nowoczesna prawnicza teoria libertarianizmu
• Mikołaj Dronin. Globalne zmiany klimatyczne i Protokół z Kioto: rezultaty dekady
• Jurij Piwowarow. Historyczne korzenie rosyjskiej kultury politycznej
• Jurij Piwowarow. Ewolucja rosyjskiej kultury politycznej
• Paweł Pieczenkin. Film dokumentalny jako technologia humanitarna
• Wadim Radajew. Rewolucja w handlu: wpływ na życie i konsumpcję
• Aleca Epsteina. Dlaczego ból kogoś innego nie boli? Pamięć i zapomnienie w Izraelu i Rosji
• Tatiana Czernigowska. Jak myślimy? Wielojęzyczność i cybernetyka mózgu
• Siergiej Aleksaszenko. Rok kryzysu: co się stało? co jest zrobione? czego oczekiwać?
• Władimir Pastuchow. Siła wzajemnego odpychania: Rosja i Ukraina – dwie wersje tej samej transformacji
• Aleksander Juriew. Psychologia kapitału ludzkiego w Rosji
• Andriej Zorin. Edukacja humanistyczna w trzech krajowych systemach edukacyjnych
• Włodzimierz Plungjan. Dlaczego lingwistyka współczesna powinna być lingwistyką korpusową
• Nikita Pietrow. Kryminalny charakter reżimu stalinowskiego: podstawy prawne
• Andriej Zubow. Wschodnioeuropejskie i poradzieckie drogi powrotu do pluralistycznej państwowości
• Wiktor Wachsztain. Koniec socjologii: perspektywy dla socjologii nauki
• Jewgienij Oniszczenko. Konkurencyjne wsparcie nauki: jak to się dzieje w Rosji
• Nikołaj Pietrow. Rosyjska mechanika polityczna i kryzys
• Aleksander Auzan. Umowa społeczna: spojrzenie z 2009 roku
• Siergiej Guriew. Jak kryzys zmieni światową gospodarkę i naukę ekonomiczną
• Aleksander Asejew. Miasta akademickie jako centra nauki, edukacji i innowacji we współczesnej Rosji