Рідки́й криста́л — специфічна термодинамічна фаза деяких речовин, якій властиві риси як рідини (текучість), так і кристалу (анізотропія властивостей).

Загальна характеристика Рідкий кристал — проміжна фаза (мезофаза) між ізотропною рідиною і кристалічним твердим тілом. Рідкі кристали — це флюїди, молекули яких певним чином впорядковані, тобто існує певна симетрія. Як наслідок, існує анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей речовин цього класу. Поєднуючи властивості рідин та твердих тіл (плинність, анізотропія), рідкі кристали проявляють специфічні ефекти, багато з яких не спостерігаються у рідинах та твердих тілах. Зокрема, в рідких кристалах спостерігається подвійне променезаломлення, флексоелектричний ефект, перехід Фредерікса.

На верхньому рисунку праворуч показано текстуру нематичної фази рідкого кристалу.

Речовина, яка здатна переходити при певних умовах (температурі, тискові, концентрації) в рідкокристалічний стан (мезоморфний, мезофаза), що є проміжним між рідким (характерна плинність) i кристалічним (анізотропні властивості — оптичні, електричні, магнітні тощо) при відсутності тримірного дальнього порядку розміщення атомів чи молекул. Це молекулярні кристали з властивостями одночасно і рідин і кристалів. Вони переважно складаються з тороподібних чи дископодібних молекул, що можуть утворювати одну чи більше різних впорядкованих флюїдних фаз, а також ізотропні флюїди; трансляційний порядок у них є цілком чи частково порушеним, але значна частка орієнтаційного порядку зберігається при переході від кристалічної до рідинної фази при мезоморфному переході. На фазовій діаграмі температурний діапазон існування рідкого кристала обмежується температурою плавлення твердого кристала й температурою прояснення, при якій рідкокристалічний твердий зразок стає прозорим унаслідок плавлення мезофази й перетворення її в ізотропну рідину. Такі речовини в рідкому стані утворюють нематичну фазу — з великим ступенем лінійного впорядкування, або смектичну — з великим ступенем впорядкування в площині.

Холестеричний рідкий кристал — рідкий кристал, стрижневидні молекули якого розташовані, як у нематичному в шарах, але паралельні стрижні в одному шарі орієнтуються в різному напрямку з паралельними стрижнями прилеглого шару, закручуючись у напрямку, перпендикулярному до довгих осей. Таким чином створюється спіралеподібна структура з певним періодом.

Історія відкриття і дослідження

Існування рідких кристалів було встановлене в 1888 році.

Відкриття Першим виявив рідкі кристали у 1888 році австрійський учений-ботанік Фрідріх Рейнітцер. Досліджуючи нову синтезовану ним речовину холестерилбензоат, він виявив, що при температурі 145°С кристали цієї речовини плавляться, утворюючи мутну рідину, що сильно розсіює світло. При продовженні нагріву після досягнення температури 179°С рідина прояснюється, тобто починає поводитися в оптичному відношенні, як звичайна рідина, наприклад вода. Несподівані властивості холестерилбензоат виявляв у мутній фазі. Розглядаючи цю фазу під поляризаційним мікроскопом, Рейнітцер виявив, що вона має властивість подвійного променезаломлення. Це означає, що показник заломлення світла, тобто швидкість світла в цій фазі, залежить від поляризації.

Тому сказане пояснює, що існування подвійного заломлення в рідині, яка повинна бути ізотропною, тобто що її властивості повинні бути незалежними від напряму, представлялося парадоксальним. Найправдоподібнішим у той час могла здаватися наявність у мутній фазі малих частинок кристала, що не розплавилися, кристалітів, які були б джерелом подвійного заломлення.

Тривалий час фізики та хіміки в принципі не визнавали рідких кристалів, тому що їхнє існування руйнувало теорію про три стани речовини: твердий, рідкий і газоподібний. Вчені відносили рідкі кристали то до колоїдних розчинів, то до емульсій.

Детальніші дослідження, до яких Рейнітцер долучив відомого німецького фізика Отто Лемана, показали, що каламутна фаза не є двофазною системою, тобто не містить у звичайній рідині кристалічних включень, а є новим фазовим станом речовини. Цьому фазовому стану Леман дав назву «рідкий кристал» у зв'язку з властивостями рідини і кристала, що одночасно проявлялися ним. Уживається також і інший термін для назви рідких кристалів. Це — «мезофаза», що буквально означає «проміжна фаза».

У той час існування рідких кристалів здавалося курйозом, і ніхто не міг припустити, що їх чекає майже через сто років велике майбутнє в технічних застосуваннях. Тому після деякого інтересу до рідких кристалів відразу після відкриття, про них через деякий час практично забули.

У кінці ХІХ — початку ХХ століття багато дуже авторитетних вчених вельми скептично ставилися до відкриття Рейнітцера і Лемана (ім'я Лемана також можна по праву пов'язувати з відкриттям рідких кристалів, оскільки він дуже активно брав участь в перших дослідженнях). Справа в тому, що не тільки описані суперечливі властивості рідких кристалів представлялися багатьом авторитетам вельми сумнівними, але й у тому, що властивості різних рідкокристалічних речовин (сполук, для яких властива рідкокристалічна фаза) виявлялися істотно різними. Так, одні рідкі кристали мали дуже велику в'язкість, у інших в'язкість була невелика. Одні рідкі кристали проявляли зі зміною температури різку зміну забарвлення, так що їхніх колір пробігав всі відтінки веселки, інші рідкі кристали такої різкої зміни забарвлення не проявляли. Нарешті, зовнішній вигляд зразків різних рідких кристалів при розгляді їх під мікроскопом виявлявся зовсім різним. У одному випадку в полі поляризаційного мікроскопа могли бути видні утворення, схожі на нитки, в іншому — спостерігалися зображення, схожі на гірський рельєф, а в третьому — картина нагадувала відбитки пальців. Стояло також питання, чому рідкокристалічна фаза спостерігається при плавленні тільки деяких речовин?

Ось в таких умовах скептицизму з боку багатьох авторитетів і достатку суперечливих фактів вели свої роботи перші, тоді нечисленні, дослідники рідких кристалів, справжні ентузіасти своєї справи. До їх числа слід віднести німецького хіміка Даніеля Форлендера, який на початку ХХ століття в університетському місті Галле (Німеччина) спільно з своїми учнями вивчав хімію рідких кристалів. Він намагався відповісти на питання, які властивості повинні мати молекули речовини, щоб воно мали рідкокристалічну фазу. Форлендер знайшов велику кількість нових сполук з рідкокристалічною фазою, і уважно досліджував властивості молекул відповідних сполук, зокрема структурні. В результаті його робіт стало ясно, що рідкі кристали утворюють речовини, молекули яких мають подовжену форму.

Сучасні дослідження

У 1965 в США зібралася перша міжнародна конференція, присвячена рідким кристалам. 1968 року американські вчені створили принципово нові індикатори для систем відображення інформації. Принцип їхньої дії оснований на тому, що молекули рідких кристалів, повертаючись в електричному полі, по-різному пропускають світло. Під впливом напруги, яку подавали на провідники, впаяні в екран, на ньому виникало зображення, що складається з мікроскопічних точок. І все ж тільки після 1973, коли група англійських хіміків під керівництвом Джорджа Грея синтезувала рідкі кристали з відносно дешевої і доступної сировини, ці речовини отримали широке поширення в різноманітних пристроях.

У 1991 році, коли рідкокристалічні дисплеї вже застосовувались, П'єр Жиль де Жен отримав Нобелівську премію з фізики «за виявлення того, що методи, розвинені для вивчення явищ упорядкованості в простих системах, можуть бути узагальнені на рідкі кристали і полімери».

Речовини, молекули яких за певних умов здатні утворювати рідкокристалічні фази, називаються мезогенами. Як правило, ці молекули є певною мірою жорсткими та анізотропними (суттєво довші або коротші в одному напрямі, ніж в інших). Більшість мезогенів — це довгасті стрижнеподібні молекули. Менш поширені дископодібні молекули, хоча існують ще екзотичніші форми молекул рідких кристалів.

Класифікація

Деякі мезогени можуть утворювати кілька мезофаз. В залежності від способу утворення мезофаз рідкі кристали поділяються на ліотропні та термотропні. Ліотропні рідкі кристали проявляють властивості мезофаз при певних концентраціях мезогену у розчиннику, в той час як термотропні рідкі кристали є мезофазами в певних температурних межах.

Ліотропні рідкі кристали

Рідкі кристали, в яких є фази з дальним порядком орієнтування викликані додатковим розчинником. Вони проявляють властивості мезофаз при певних концентраціях мезогену в розчиннику, в той час як термотропні рідкі кристали є мезофазами в певних температурних межах. Останні в свою чергу поділяються в залежності від способу впорядкування молекул (в залежності від симетрії) на нематичні рідкі кристали (нематики) та смектичні рідкі кристали (смектики). Нематики, молекули яких мають довгасту стрижнеподібну форму, характеризуються дальнім орієнтаційним порядком, проте не мають дальнього трансляційного порядку. Тобто існує певний переважний напрям орієнтації довгих осей молекул нематика, який характеризується одиничним вектором і називається директором. Смектична мезофаза відрізняється від нематичної наявністю дальнього трансляційного порядку. Таким чином, молекули смектиків розміщуються шарами.

Ліотропні рідкі кристали утворюються при розчиненні твердих органічних речовин у різних розчинниках, наприклад у воді. Ліотропні рідкі кристали мають більш складну структуру, ніж термотропні. Ліотропні рідкі кристали досить поширені у природі, особливо в живих організмах (мембрани клітин, віруси тощо).

Термотропні рідкі кристали Рідкий кристал, в якому частково впорядкована мезофаза існує в певному проміжку температур. При температурі, меншій за деяку критичну, термотропні кристали втрачають плинність і переходять у тверді тіла. При підвищенні температури понад інше критичне значення термотропні рідкі кристали втрачають часткове впорядкування й переходять в ізотропну рідину.

Поділяються в залежності від способу впорядкування молекул (в залежності від симетрії) на:

Нематичні рідкі кристали (нематики). Нематики, молекули яких мають довгасту стрижнеподібну форму, характеризуються дальнім орієнтаційним порядком, проте не мають дальнього трансляційного порядку. Тобто, існує певний переважний напрям орієнтації довгих осей молекул нематика, який характеризується одиничним вектором і називається директором. Відсутній дальній порядок в розташуванні центрів тяжіння молекул, у них немає шаруватої структури, їх молекули ковзають безперервно у напрямі своїх довгих осей, обертаючись навколо них, але при цьому зберігають орієнтаційний порядок: довгі осі напрямлені уздовж одного переважного напрямку. Вони поводяться подібно до звичайних рідин. Прикладом речовини, що утворює нематичні рідкі кристали може служити N-(пара-метоксібензиліден) – пара-бутиланілін. Смектичні рідкі кристали (смектики). Смектична мезофаза відрізняється від нематичної наявністю дальнього трансляційного порядку. Таким чином, молекули смектиків розміщуються шарами, що можуть переміщатися один відносно іншого. Товщина смектичного шару визначається довжиною молекул (переважно, довжиною парафінового «хвоста»), проте в’язкість смектиків значно вище ніж у нематиків і щільність по нормалі до поверхні шару може сильно змінюватися. Типовим є терифтал-біс (пара-бутиланілін).