Zobrazit doplňující text

Kapalné krystalické látky jsou známy již od konce minulého století. Poprvé na ně upozornil rakouský botanik Reinitzer v r. 1888, který u syntetizovaného cholesterylbenzoatu objevil dvě teploty tání. Při teplotě 145 °C dostal kalnou kapalinu, která při teplotě 179 °C znovu zprůsvitněla. Zkoumaný vzorek byl

* Součinitel stlačitelnosti y kapaliny (podobně i pevné látky a plynu) je definován vztahem

,

kde je relativní zmenšení objemu vyvolané zvětšením tlaku o hodnotu .

poslán německému fyzikovi Lehmannovi, který označil zakalené oblasti jako nový stav, který jeví optické vlastnosti krystalu a nazval ho stavem kapalně krystalickým s velkou optickou anizotropií. Je to nový termodynamický stav, který se liší od stavu kapalného svými elektrickými, magnetickými a optickými vlastnostmi. V prvním desetiletí tohoto století už bylo syntetizováno 250 kapalně krystalických látek. V současné době je známo více jak 10 000 kapalných krystalů a každým rokem jich přibývá. Udává se, že každá dvoustá nově syntetizovaná organická látka je kapalným krystalem. Není zatím známo, že by byly jiné kapalně krystalické látky než organické. Podle předpokladů Friedela, Lehmanna a dalších tvoří kapalný krystal pouze ty látky, jejichž molekuly mají podlouhlou tyčkovitou formu. V r. 1977 byla předpovězena existence fází, které jsou tvořeny molekulami přibližně kruhového tvaru. O dva roky později byly takové struktury pozorovány a popsány A. Levelutem.

Obecně rozlišujeme termotropní a lyotropní krystaly Termotropní kapalné krystaly přecházejí z krystalické fáze do fáze izotropní přes mezofáze kapalně krystalické tepelnou výměnou. Zahřejeme-li pevný krystal mezogenu (látky schopné vytvářet kapalný krystal) na určitou teplotu, mění se jeho struktura. Pevný krystal přechází do smektickě fáze, ve které jsou molekuly uspořádány v řadách a to poměrně dobře symetricky. Z fáze smektické přechází látka do nematické fáze, v níž molekuly jsou seřazeny vedle sebe tak, že jejich dlouhé osy jsou paralelní a těžiště jsou volně pohyblivá. Uspořádání je méně symetrické než u smektické fáze. Při dalším zahřívání dostáváme izotropní kapalinu.

Kromě termotropních kapalných krystalů existuje velká skupina lyotropních kapalných krystalů. Jsou to krystaly vzniklé při rozpouštění látek ve vodě a jiných kapalinách (vodný roztok mýdla, roztoky virů tabákové mozaiky a některých polypeptidů). Lyotropní kapalné krystaly, se mohou tvořit i ve více komponentních systémech. Některé organické látky nerozpustné ve vodě jsou dobře rozpustné ve vodných roztocích mýdla, přičemž dochází ke tvorbě tzv. mielionových forem. Jsou to trubice s dvojitou vrstvou molekul mýdla rozdělených vrstvou vody Uvnitř trubic je lyotropní kapalný krystal.

Vraťme se ještě k termotropním krystalům. Z výkladu jejich vzniku vyplývá, že můžeme kapalně krystalické látky rozdělit do dvou skupin:

1. Kapalné krystaly smektické (řec. smegma = výměšek žláz) mají takovou mezofázi, která má strukturu paralelních vrstev. V nich jsou molekuly uspořádány v řadách. Dlouhé osy molekul svírají různě velké úhly s rovinou vrstvy Účinkem vnějších sil se vrstvy volně po sobě klouzají. Můžeme říci, že se chovají jako dvourozměrná kapalina. Typickým příkladem je ethylový ether n-azoxy-benzoové kyseliny. Pevné krystalky této látky začínají tát při teplotě 114 °C a při teplotě 120 °C již vytvářejí izotropní kapalinu. Když takto vzniklou kapalinu začneme ochlazovat, vznikají zárodky kapalné krystalické fáze - tyčky. Pod mikroskopem při zkřížených polaroidech vidíme světlé tyčky, což svědčí o optické anizotropii.

Smektické kapalné krystaly tvoří na rovném a čistém povrchu hranaté kapky s terasovitou strukturou. Výška stupínku terasy je úměrná tloušťce smektické vrstvy. Při mechanické vibraci můžeme pozorovat volný pohyb vrstev vůči sobě. Smektické kapalné krystaly různě pohlcují světlo v závislosti na směru vektoru elektrické intenzity prostupujícího světla vůči směru os molekul. Při dopadu bílého světla vidíme pozorovaný vzorek duhově zabarvený.

2. Kapalné krystaly nematiché (řec. nemá = nit) mají takovou mezofázi, v níž jsou molekuly seřazeny vedle sebe tak, že jejich dlouhé osy jsou paralelní a těžiště jsou volně pohyblivá. Struktura není vrstevnatá, krystaly mají vláknovi-tý tvar. Typickým kapalným krystalem nematického druhu je n-azoxyanizol. Oblast existence meofáze je od teploty 116 °C do teploty 136 °C. Místa, kde se mění směr molekul při pozorování v mikroskopu v bílém světle, jeví se jako nitě - vlákna. Nematické kapalné krystaly jsou silně dvojlomné a rovněž různě pohlcují světlo v závislosti na směru vektoru elektrické intenzity.

Zvláštní druh nematické fáze tvoří deriváty cholesterolu. Molekuly jsou uspořádány ve vrstvách, ale vrstvy jsou seřazeny tak, že směr dlouhé osy tvoří šroubovici s výškou závitu řádově 300 nm. Tloušťka vrstvy je přibližně 0,3 nm. Cholesterické kapalné krystaly se vyznačují vysokou optickou aktivitou, tzn. schopností stáčet rovinu jimi procházejícího polarizovaného světla. Typickým příkladem cholesterického kapalného krystalu je cholesterylcinnamat nebo cho-lesterylpropionat s teplotním intervalem mezofáze od 102 °C do 116 °C.

Uveďme ještě základní údaje o chemické struktuře kapalných krystalů. Většinou jsou tvořeny tyčkovitými molekulami, z nichž většina obsahuje benzenové jádro se substitucí v para-poloze. Při substituci v meta- nebo orto-poloze schopnost tvořit kapalné krystaly mizí. Benzenových jader může být různý počet. Pouze jedno jádro obsahuje kapalně krystalická látka trans-n-methoxyskořicová kyselina. Jinak platí, že čím více benzenových jader látka obsahuje, tím lepší je její schopnost tvořit kapalný krystal. Jsou také známy kapalně krystalické látky s naftalenovým jádrem, avšak je jich velmi málo. Řidčeji se pozorují kapalné krystaly mezi alifatickými sloučeninami, ačkoliv jejich zkoumání má velmi praktický význam (polymery, mýdla).

Pozornost kapalným krystalům je dána jejich velikými aplikačními možnostmi v oblasti techniky, lékařství a biologie. Např. nematické lyotropní kapalné krystaly jsou používány k výrobě polaroidů. Tenká vrstva nematického kapalného krystalu se umístí mezi dvěma orientovanými průsvitnými destičkami. Po určité době se rozpouštědlo odpaří a zůstane tenká vrstva orientovaných dichro-ických molekul, tj. polaroid. Cholesterické kapalné krystaly mohou sloužit jako konvertory (měniče) infračerveného záření na viditelné záření. Tímto způsobem se pro oko zviditelňuje paprsek plynového laseru o vlnové délce 3,3 .

Schopnosti cholesterických krystalů citlivě měnit barvu s teplotou se využívá k měření teplot např. v lékařské diagnostice. Cholesterické kapalné krystaly jsou také velmi citlivé na přítomnost par různých chemických látek. S jejich pomocí se dá stanovit přítomnost chemické látky v koncentraci 0,0001 %.

Neobyčejně velkou budoucnost a technický význam má studium elektrooptic-kých vlastností kapalných krystalů pro aplikaci v elektronice a sdělovací technice. Široce používané displeje jsou založeny na jevu dynamického rozptylu světla na kapalných krystalech. Jev spočívá v tom, že při vytvoření elektrického pole v kapalném krystalu dochází k turbulencím látky, na nichž se silně rozptyluje dopadající bílé světlo. Místa, kde pole nepůsobí, zůstávají čirá. To dává možnost získat různé obrazce připojením vhodného elektrického pole.

Velmi důležitou úlohu hrají kapalné krystaly ve funkci živého organismu, růstu, látkové výměny apod. Např. lyotropní kapalné krystaly hrají zásadní roli ve struktuře a funkci biologických membrán řídících životně důležité biologické procesy v živých systémech.