4.2.2. Стъклообразни и високоеластични състояния на полимерите
Стъкленото състояние е една от формите на твърдо състояние на аморфни полимери, което се характеризира с малки еластични деформации с високи стойности на модула на еластичност E≈2,2·10 3 -5·10 3 MPa. Тези деформации са свързани с лека промяна в разстоянията между атомите и ъглите на свързване на основната верига.
Високоеластичното състояние се характеризира с големи обратими деформации (до 600-800%) и ниски стойности на еластичния модул на полимера (0,2-2 MPa). Разтягането на полимер по време на силно еластична деформация е придружено от освобождаване на енергия под формата на топлина, докато свиването е придружено от компресия. Еластичният модул на деформируемия полимер се увеличава с повишаване на температурата, докато модулът на еластичност в стъкловидно състояние намалява. Силно еластичната деформация възниква с течение на времето, тъй като се причинява от движението на сегменти и следователно е релаксационен молекулярно-кинетичен процес.
Природата на еластичната сила, която възниква по време на деформацията на полимери в стъкловидно и високоеластично състояние, е разгледана в раздел. 2.2.1. В първия случай това е свързано с промяна на вътрешната енергия, във втория - ентропията. Молекулярният механизъм на ентропийната еластичност, свързан с възстановяването на най-вероятните размери на макромолекулните намотки, е разгледан подробно в Раздел. 2.2.
Високоеластичното състояние се проявява най-ясно в "омрежените" каучуци, т.е. каучук При линейните полимери необратимата деформация се наслагва върху обратимата деформация, т.е. поток. Високо еластично състояние може да се наблюдава в полимерите в различни температурни диапазони - от -100 до 200 °C. Техническото използване на високоеластични материали е свързано с техните ударопоглъщащи свойства и нисък модул на еластичност.
Когато са изложени на външна периодична сила с висока честота, полимерите, които са във високоеластично състояние, могат да се трансформират в еластично-твърдо деформационно състояние, което не е свързано със „замразяването“ на подвижността на сегментите (Таблица 4.1). Този вид встъкляване в силови полета при температури над структурната температура на встъкляване се нарича механично встъкляване. Естеството на това явление беше обсъдено по-рано в раздела. 2.3.4.
Встъкляването на полимерите е процес на релаксация. Свързва се с релаксация, т.е. чрез преместване на сегменти от макромолекули, съдържащи 5-20 атома от основната верига (в зависимост от нейната гъвкавост). Този процес има подчертан кооперативен характер.
По време на встъкляване има рязка промяна в топлинния капацитет, температурния коефициент на обемно разширение и коефициента на топлинна свиваемост, докато се наблюдава само извиване в кривите на специфичния обем, енталпията и ентропията. При T T s вторите производни на функцията на Гибс
се променят рязко, което е знак за фазов преход от втори ред. Въпреки това, стъкленият преход не е фазов преход,
Таблица 4.1 Температура на встъкляване, пространствен фактор (гъвкавост) σ и сегмент на Кун на различни класове полимери
|
Кун сегмент, nm | |||
|
Гъвкави верижни полимери: | |||
|
Полихлоропрен | |||
|
Полиметилсплоксан | |||
|
Полиестери | |||
|
Цис-полизонрен (естествен каучук) | |||
|
Полибутадиен | |||
|
Алифатни полиамиди | |||
|
Полиметилметакрилат | |||
|
Пол и метил акрил | |||
|
Полибутил акрилат | |||
|
Поливинил ацетат | |||
|
Полистирен | |||
|
Полиетилен | |||
|
Полипропилен | |||
|
Полиакрилонитрил | |||
|
Поливинил хлорид | |||
|
Полимери с твърда верига: | |||
|
Терефталова киселина и фенолфталеин полиарилат | |||
|
Полиамид на терефталова киселина и анифталеин | |||
|
Полиимид дианхидрид 3,3",4,4"-тетракарбоксифенил оксид и анилин флуорен |
тъй като води до неравновесно метастабилно състояние на системата. Това се потвърждава от редица кинетични характеристики:
монотонно и неограничено понижаване на температурата на встъкляване с намаляване на скоростта на охлаждане и обратно;
в обратна посока на промяната в топлинния капацитет по време на встъкляване и фазов преход от втори ред (по време на встъкляване топлинният капацитет намалява).
Обикновено температурата на встъкляване се променя с приблизително 3 °C, когато скоростта на охлаждане се промени с фактор 10, и само в някои случаи може да се промени с 10-15 °C. Бартенев предложи формула за изчисляване на температурата на встъкляване при различни скорости на промяна на температурата:
където c е константата на материала; co - скорост на нагряване в °C/s.
Теории за встъкляване.Подвижността на всяка кинетична единица се определя от времето на релаксация t, което в съответствие с формула (2.93) зависи експоненциално от енергията на активиране. Доказано е, че с понижаване на температурата енергията на активиране за движение на сегментите бързо нараства, което е свързано с намаляване на свободния обем на полимера и увеличаване на системата за кооперативна релаксация. По време на встъкляване свободният обем достига минимална стойност и движението на сегментите спира. Свободният обем на полимера Vst се определя от израза:
където V е общият обем, т.е. реален обем на полимерното тяло; V 3 - зает обем, равен на обема на макромолекулите. Свободният обем е разпределен в целия полимер под формата на микропори, чийто произход е свързан с хетерогенността на структурата.
Промяната в обема на тялото при нагряване се характеризира с коеф
разширения. При T > T c, промяната в обема на полимера се определя главно от промяната в свободния обем; коефициентът на разширение за тази област се обозначава като 1. В Т< Т с свободный объем изменяется в существенно меньшей степени (рис. 4.6), изменение объема полимера в этой области происходит по закону, характерному для твердых кристаллических тел с коэффициентом объемного расширения 2 . Величина ∆= 1 - 2 имеет физический смысл коэффициента температурного расширения свободного объема. Она связана с температурой стеклования полимеров эмпирическим уравнением Бойера-Симхи:
В теорията на Гибс и Ди Марцио процесът на встъкляване на полимера се разглежда от гледна точка на термодинамичното състояние на системата, определено от броя на възможните конформации на макромолекулата. Предполага се, че възможните начини за ориентиране на верижни звена могат да бъдат сведени до два екстремни случая, съответстващи на високи ε 1 и ниски ε 2 енергийни стойности на конформерите. Във връзка с ротационния изомерен модел на веригата, първият може да се припише на ±gauche изомери, вторият на транс изомери. При T > T c полимерът се характеризира с голям конформационен набор и значителна моларна конформационна ентропия S K . С намаляването на температурата интензивността на термичното движение на сегментите намалява, т.е. гъвкавостта на веригата, следователно, конформациите, съответстващи на големи (ε 1) стойности на вътрешна енергия, се замразяват и S K намалява. При определена температура T = T 2 преходът на транс-конформациите към „+“ или „-“ гош става невъзможен и термичното движение на сегментите спира. Това означава, че ∆S K = 0, ако приложим формулата на Болцман за изчисляване на конформационната ентропия и приемем, че термодинамичната вероятност е равна на конформационното число.
Тъй като T2 е температурата, при която излишната ентропия на свръхохладена течност (в този случай аморфен полимер) в сравнение с кристал става нула, встъкленият преход в теорията на Гибс-Ди Марцио се счита за фазов преход от втори ред. Наистина, по време на встъкляване се наблюдават някои формални признаци на такъв преход - скок в топлинния капацитет, рязка промяна в коефициента на обемно разширение и др. Освен това беше показано, че по време на встъкляване се наблюдава преразпределение на гоша и транс изомери се извършва, както се предлага съгласно теорията на Gibbs-Dee Marzio. На практика се оказа, че T c > T 2 винаги. Следователно авторите на теорията приемат, че T 2 = T c само при безкрайно малки скорости на охлаждане на полимера, когато явленията на релаксация в полимерите са сведени до минимум. Но дори при това условие е неправилно да се идентифицира встъклен преход с фазов преход от втори ред, тъй като стъклен преход фиксира метастабилно състояние, чиято ентропия при всяка температура е по-голяма от ентропията на кристалното състояние. Следователно трябва да се счита, че има два независими прехода при T 2 и T c, които корелират един с друг. Термодинамичната теория за встъкляването е доразвита в трудовете на Адам и Гибс.
Кинетична теория на встъкляването.За полярни полимери със силни междумолекулни взаимодействия добри резултати се получават от теорията на Журков, една от първите теории за встъкляване. Според тази теория встъкляването на полимера, т.е. спирането на топлинното движение на сегментите се дължи на образуването на пространствена мрежа от слаби междумолекулни кохезионни връзки - диполни, донорно-акцепторни (включително водородни).
Енергията на междумолекулното взаимодействие зависи малко от температурата, докато енергията на топлинното движение на единиците е пропорционална на kT. С понижаване на температурата енергията на топлинното движение намалява и когато тя се окаже недостатъчна за преодоляване на силите на междумолекулно взаимодействие, се образува мрежа от междумолекулни връзки, т.е. стъклен преход В този случай за прехода към стъкловидно състояние е достатъчно да се „замрази“ мобилността на сегментите на Kuhn, докато движението на други структурни елементи - връзки, странични заместители - се запазва.
Образуването на междумолекулни връзки при преход към стъкловидно състояние за редица полярни полимери - полиамиди, поливинилалкохол, желатин - е доказано чрез IR спектроскопия. В съответствие с теорията на Журков, с увеличаване на полярността на полимера и, следователно, твърдостта на веригата, стойността на температурата на встъкляване се увеличава (фиг. 4.7).
Блокирането на полярните групи на полимерите чрез въвеждане на малки добавки от съединения с ниско молекулно тегло води до намаляване на междумакромолекулното взаимодействие и съответно температурата на встъкляване. Експерименталните данни потвърждават тази позиция.
Въз основа на гореизложеното е очевидно, че температурата на встъкляване ще зависи преди всичко от факторите, определящи гъвкавостта на веригата и възможността за конформационни преходи. Гъвкавостта на веригата се определя от естеството на връзките в основната верига, както и от обема и полярността на заместителите на тази верига. Известно е например, че въвеждането на етерни връзки във веригата увеличава нейната гъвкавост, а амидните групи я намаляват. В съответствие с това в първия случай температурата на встъкляване намалява, а във втория се повишава (виж таблица 4.1). Влиянието на заместник най-често се проявява, както следва:
така наречените насипни недеформируеми заместители повишават температурата на встъкляване, например за полистирол и поливинилнафталин е съответно 100 °C и 211 °C;
гъвкавите странични групи понижават температурата на встъкляване, например полиметилакрилатът и полибутилакрилатът имат температура на встъкляване съответно 2 °C и -40 °C;
Увеличаването на полярността на заместителя води до намаляване на гъвкавостта на веригата поради ограничаване на свободата на нейното въртене и, като следствие, до повишаване на температурата на встъкляване.
Както бе споменато по-горе, в областта на стойностите на ниско молекулно тегло, последното влияе върху температурата на встъкляване на полимера. Това се обяснява с увеличаването на свободния обем на полимера, съдържащ къси вериги, тъй като техните краища предотвратяват плътното опаковане на макромолекулите. Излишният свободен обем на полимер с ниско молекулно тегло води до факта, че конформационните преходи на макромолекулите могат да се появят при по-ниски температури в сравнение с полимер с по-високо молекулно тегло.
В случай на омрежени полимери се получава обратното явление - омрежването "сближава" макромолекулите, което води до намаляване на свободния обем и повишаване на температурата на встъкляване на "омрежения" полимер в сравнение с линейната.
| " |
Компанията Olenta продава огромна гама от полимерни материали. Винаги разполагаме с висококачествени термопласти, включително полимери с течни кристали. Служителите, работещи в Олента, имат висше специално образование и отлично разбират особеностите на производството на полимери. При нас винаги можете да получите съвет и всякакво съдействие относно избора на материал и организация на технологичния процес.
Течнокристалните полимери имат много висока твърдост и здравина. Те не произвеждат светкавица при замятане. Препоръчва се за прецизно леене. Имат отлична стабилност на размерите. Характеризира се с много кратко време за охлаждане. Характеризират се с изключително ниска якост на фугите. Тук ще намерите течнокристален полимер от Toray. Материалът се произвежда във фабрика в Япония.
Полимер с течни кристали, произведен от Toray
| Пълнеж | Марка | Описание | Приложение |
| Стъклен пълнеж | Полимер с висока якост, 35% стъклопълнеж | Микроелектроника |
|
| Късо стъкло | Полимер с висока течливост, 35% стъклен пълнеж | Микроелектроника |
|
| Късо стъкло и минерали | Полимер със супер висока течливост, 30% стъклен пълнеж | Микроелектроника |
|
| Антистатичен полимер, 50% пълнеж | Микроелектроника |
||
| Стъкло и минерали | Ниска деформация, 50% запълване | Микроелектроника |
|
| Минерали | Ниска деформация, 30% запълване | Микроелектроника |
Характеристики на течнокристалните полимери
За разлика от традиционните полимерни съединения, тези материали имат редица отличителни свойства. Течнокристалните полимери са високомолекулни съединения, които могат да променят състоянието си под въздействието на външни условия. Благодарение на гъвкавите молекулни връзки, верига от макромолекули е способна да променя формата си в широк диапазон и да образува стабилна и издръжлива кристална структура.
Тези полимери запазват стабилни якостни свойства до точката на топене. Имат много висока химическа устойчивост и диелектрични свойства.
Полимерите с течни кристали се използват широко в производството на електронни компоненти, устойчиви на микровълнова фурна съдове и медицински инструменти.
За фирмата ОЛЕНТА
Нашата компания има редица предимства:
- разумни цени;
- специалисти с богат опит;
- стриктно спазване на срокове и договорености;
- широка гама от структурни пластмаси;
- сътрудничество с най-големите производители на полимери.
OLENTA доставя полимери с течни кристали изключително от доверени производители. Това не само служи като гаранция за безупречно качество, но и минимизира всички рискове, свързани с прекъсване на доставките или неправилно изпълнение на задълженията.
Публикуваме стенограма на лекция на старши научен сътрудник в катедрата по високомолекулни съединения на Химическия факултет на Московския държавен университет, доцент, доктор на химическите науки, лауреат на Президентската награда на Руската федерация за млади учени за 2009 г. , Алексей Бобровски, изнесено на 2 декември 2010 г. в Политехническия музей като част от проекта „Публични лекции на Полит. РУ“.
Вижте също:
Текст на лекцията. Част 1
Добър вечер! Бих искал да направя няколко промени в правилата: лекцията се състои от две части: първо течни кристали, след това течнокристални полимери, така че бих искал да предложа да зададете няколко въпроса след първата част. Ще бъде по-лесно.
Бих искал да кажа, че основната задача, която си поставих при подготовката за тази лекция, е не толкова да ви заредя с изобилие от информация за течните кристали и тяхното използване, а по някакъв начин да ви заинтересувам от течните кристали, да ви дам някои първоначални концепции: какви са те и показват колко красиви и интересни са не от утилитарна гледна точка (къде могат да бъдат използвани), а от гледна точка на науката и изкуството (колко са красиви сами по себе си). План на моя доклад.
Първо ще ви кажа кога и как е открито течнокристалното състояние, какво прави течните кристали уникални в сравнение с други обекти, а във втората част на моя доклад ще говоря за течнокристалните полимери и защо те са интересни и прекрасни .
Всеки знае, че в повечето вещества молекулите образуват кристално състояние, молекулите образуват триизмерна кристална решетка, подредена в три измерения, и при нагряване до определена температура се наблюдава фазов преход от триизмерно подредено състояние към неподредено течно състояние, а при по-нататъшно нагряване - до газообразно състояние . Оказа се, че има някои междинни фази, които имат агрегатно състояние на течност, но въпреки това имат някакъв ред: не триизмерен, а двуизмерен или някакъв друг изроден ред. Сега ще обясня за какво иде реч.
Първият доклад за необичайно състояние на материята - течнокристално състояние на материята, въпреки че този термин не съществува по това време - се състоя през 1888 г. Според някои други данни такова необичайно състояние на веществото е регистрирано през 1850 г., но общоприето е, че през 1888 г. Фридрих Райницер, австрийски учен, изследва веществото холестерил бензоат - производно на холестерола - и открива, че при нагряване до 145°, кристалната фаза (бял прах) се превръща в странна мътна течност и при по-нататъшно нагряване до 179° се наблюдава преход в обикновена прозрачна течност. Той се опита да пречисти това вещество, тъй като не беше сигурен, че има чист холестерил бензоат, но въпреки това тези два фазови прехода бяха възпроизведени. Той изпрати проба от това вещество на своя приятел физик Ото фон Леман. Lehman изучава обикновени кристали, включително пластмасови кристали, които са меки на допир и се различават от обикновените твърди кристали. Основният метод на изследване беше поляризационна оптична микроскопия - микроскоп, при който светлината преминава през поляризатор, преминава през вещество и след това през анализатор - през тънък слой вещество. Когато кристали от определено вещество се поставят между поляризатора и анализатора, можете да видите текстури - характерни изображения за различни кристални вещества - и по този начин да изследвате оптичните свойства на кристалите. Оказа се, че Ото фон Леман му е помогнал да разбере каква е причината за междинното състояние, заблудата. Ото фон Леман беше сериозно убеден, че всички свойства на кристалните вещества, кристалите, зависят единствено от формата на молекулите, тоест няма значение как са разположени в този кристал, важна е формата на молекулите. И в случая с течните кристали той беше прав - формата на молекулите определя способността за образуване на течна кристална фаза (главно формата на молекулите). Тук бих искал да говоря за основните исторически етапи в изследването на течните кристали, най-важните според мен.
През 1888 г. Райницер пише, че има кристали, чиято мекота е такава, че могат да се нарекат течни, тогава Леман пише статия за течащите кристали, всъщност той въвежда термина течни кристали. Важен исторически епизод: през 20-30-те години съветският физик Фредерикс изследва влиянието на различни магнитни и електрически полета върху оптичните свойства на течните кристали и открива важно нещо, че ориентацията на молекулите в течните кристали много лесно се променя влиянието на външни полета, а тези полета са много слаби и се променят много бързо. От края на 60-те години започва бум в изследването на течнокристални системи и течнокристални фази и това е свързано с факта, че те се научиха да ги използват. Първо, за системи за показване на информация в обикновени електронни цифрови часовници, след това в калкулатори, а с навлизането на компютърните технологии стана ясно, че течните кристали могат активно да се използват за производството на дисплеи. Естествено, такъв технологичен скок стимулира изучаването на течните кристали от гледна точка на фундаменталната наука, но бих искал да отбележа колко голяма е разликата във времето между научните открития, свързани с течните кристали. Всъщност хората се интересуваха от тях от любопитство, нямаше утилитарен интерес, никой не знаеше как да ги използва и, освен това, в онези години (20-30-те) теорията на относителността беше много по-интересна. Между другото, Фредерикс е популяризатор на теорията на относителността в Съветския съюз, след това е репресиран и умира в лагерите. Всъщност минаха 80 години след откриването на течните кристали, докато се научат да ги използват. Често давам този пример, когато говоря за особеностите на финансирането на науката.
Бих искал да се спра на основните видове течнокристална фаза. Как работи мезофазата, а именно течнокристалната фаза?
Обикновено течнокристалната фаза се образува от молекули, които имат пръчковидна или дисковидна форма, т.е. имат анизометрия на формата, предимно пръчици или дискове. Можете да си представите добър експеримент, който е лесен за поставяне: ако произволно изсипете пръчици в кутия и я разклатите, тогава в резултат на това разклащане ще забележите, че самите пръчици са подредени успоредно, което е начинът, по който най-простият нематик фаза е подредена. Има ориентационен ред в определена посока, но центърът на масата на молекулите е неподреден. Има много по-сложни фази, например от смектичен тип, когато центърът на масата е в равнини, т.е. такива слоести фази. Холестеричната фаза е много интересна: нейният локален ред е същият като този на нематичната, има ориентационен ред, но на разстояние от стотици нанометри се образува спирална структура с определена посока на усукване и появата на тази фаза се дължи на факта, че молекулите са хирални, тоест необходима е молекулярна хиралност (ще обясня какво е това по-късно), за да се образува такова спирално усукване. Тази фаза също има интересни свойства, като нематичната, и също може да намери някакво приложение. Фазите, за които говорих, са най-простите. Има така наречените сини фази.
Ще се спра малко на тях, когато говоря за полимери, това е малко свързано с работата ми. Тук тези линии показват посоката на ориентация на молекулите и основният структурен елемент на такива фази са такива цилиндри, в които ориентацията на дългите оси на молекулите се променя умело, тоест в центъра на този цилиндър ориентацията е по оста на цилиндъра, а при отдалечаването му към периферията се наблюдава завъртане. Тези фази са много интересни от гледна точка на структурата, много красиви в поляризационен микроскоп и е важно да се отбележи, че в случай на течни кристали с ниско молекулно тегло тези фази съществуват в някои десети от градуса, в най-добрия случай 2 -3° температурен диапазон, а при полимерите успях да заснема тези интересни структури, за които ще ви разкажа по-късно. Малко химия. Как изглеждат структурите на течнокристалните молекули?
Обикновено има ароматна част от 2-3 бензенови пръстена, понякога може да има два ароматни пръстена, свързани директно, може да има свързваща част. Важно е този фрагмент да е удължен, тоест дължината му да е по-голяма от ширината и да е доста твърд и да е възможно въртене около дълга ос, но при това въртене формата остава удължена. Това е много важно за образуването на течнокристалната фаза. Наличието на гъвкави опашки в молекулата е важно - това са различни алкилни опашки и наличието на различни полярни заместители е важно. Това е важно за приложението и създава диполни моменти и способността да се преориентира във външни полета, тоест тази молекула е съставена от две основни части: мезогенен фрагмент с някакъв заместител (полярен или неполярен) и гъвкава опашка които могат да се огъват. Защо е необходимо? Той действа като вътрешен пластификатор, защото ако вземете твърди молекули, те ще кристализират - ще образуват триизмерен кристал без никакви мезофази, без течни кристални фази, а гъвкавата опашка често помага да се образува междинна фаза между кристала и обикновена изотропна течност. Друг вид молекули са дисковидни молекули. Ето общата структура на такива дискове, които също могат да образуват мезафази, но те имат напълно различна структура от фазите, базирани на удължени молекули. Бих искал да ви подчертая колко красиви са течните кристали под поляризационен микроскоп.
Поляризационната микроскопия е първият метод за изследване на течни кристали, т.е. от картината, наблюдавана от изследовател в поляризационен микроскоп от кръстосани поляризатори, може да се прецени какъв вид мезофаза, какъв тип течнокристална фаза се образува. Това е характерната картина за нематичната фаза, чиито молекули образуват само ориентационен ред. Ето как изглежда смектичната фаза. За да ви дам представа за мащаба на всичко това, тоест той е много по-голям от молекулярния мащаб: ширината на картината е стотици микрони, тоест това е макроскопична картина, много по-голяма от дължината на вълната на видимата светлина. И чрез анализиране на такива снимки може да се прецени какъв вид структура има. Естествено, има по-точни методи за определяне на структурата и някои структурни особености на тези мезофази - методи като рентгенов дифракционен анализ, различни видове спектроскопия - това ни позволява да разберем как и защо молекулите са опаковани по един или друг начин .
Друг вид картина е концентриран разтвор на къси ДНК фрагменти (воден разтвор) – такава снимка е получена в Университета на Колорадо. Най-общо казано, значението и особеностите на образуването на течнокристални фази в биологични обекти е тема за отделна голяма дискусия и аз не съм експерт в това, но мога да кажа, че много полимери от биологична природа могат да произвеждат течност кристална фаза, но това обикновено е лиотропна течнокристална фаза, т.е. Важно е да присъства разтворител, като вода, за да се образува тази течнокристална фаза. Това са снимките, които получих.
Ето как изглежда холестеричната мезофаза - една от типичните картини. Бих искал да покажа колко красиви изглеждат фазовите преходи: когато температурата се промени, можем да наблюдаваме фазов преход.
При промяна на температурата се наблюдава промяна в пречупването, така че цветовете се променят, приближаваме прехода - и се наблюдава преход към изотропна стопилка, тоест всичко е потъмняло, вижда се тъмна картина в кръстосаните поляризатори.
В друг случай е малко по-сложно: първо се вижда тъмна картина, но природата ни заблуждава, молекулите са просто ориентирани така, че да изглеждат като изотропна стопилка, но имаше течна кристална фаза. Тук е преходът към друга течнокристална фаза - при охлаждане, по-подредени промени в ориентацията. Червеният цвят е свързан със спираловидна структура с определена стъпка на спиралата, а стъпката на спиралата се променя, спиралата се усуква, така че има промяна в цветовете. Виждат се различни дисклинации, тоест спиралата се усуква и сега в един момент ще се наблюдава кристализация на тази проба, всичко това ще стане синьо. Показвам това с факта, че един от личните ми мотиви да изучавам например течните кристали е тяхната красота, гледам ги с удоволствие през микроскоп, имам щастието да правя това всеки ден, а и естетическият интерес е подкрепен по научен интерес. Сега ще има кристализация, всичко става в реално време. Нямам никакви звънци и свирки, това е обикновена сапунена чиния, монтирана на микроскоп, така че качеството е подходящо. Тук растат сферолитите на това съединение. Това съединение е синтезирано за нас от химици в Чехия. (Ние също сами синтезираме LCD съединения.) Трябва да се каже малко за това защо те са широко използвани.
Всеки от нас носи със себе си малко количество течни кристали, защото всички монитори за мобилни телефони са базирани на течни кристали, да не говорим за компютърните монитори, дисплеите, телевизионните монитори и сериозната конкуренция на плазмените монитори и LED мониторите като цяло - тогава, като доколкото знам (не съм експерт в това), не. Течните кристали са стабилни и не изискват много напрежение за превключване на картината - това е много важно. В течните кристали се наблюдава важна комбинация, така наречената анизотропия на свойствата, тоест разликата на свойствата в различни посоки в средата, техният нисък вискозитет, с други думи, течливост, възможно е да се създаде някакъв вид оптичен устройство, което би превключвало и реагирало с характерно време на превключване милисекунди или дори микросекунди, е когато окото не забелязва скоростта на тази промяна, поради което е възможно съществуването на LCD и телевизионни дисплеи и много висока чувствителност към външни полета. Тези ефекти са открити преди Фредерикс, но са изследвани от него и преходът на ориентация, за който ще говоря сега, се нарича преход на Фредерикс. Как работи прост цифров циферблат на часовник и защо течните кристали са толкова широко използвани?
Устройството изглежда така: има слой течен кристал; пръчиците представляват посоката на ориентация в молекулата на течния кристал, разбира се, те не са в мащаб, те са много по-малки от останалите елементи на дизайна, има два поляризатора, те са кръстосани по такъв начин, че ако нямаше течнокристален слой, светлината не би преминала през тях. Има стъклени подложки, върху които е нанесен тънък проводим слой, за да може да се приложи електрическо поле; Има и такъв труден слой, който ориентира молекулите на течните кристали по определен начин, като ориентацията е зададена по такъв начин, че на горния субстрат молекулите са ориентирани в една посока, а на другия субстрат - в перпендикулярна посока. , тоест организира се усукваща ориентация на молекулите на течния кристал, така че светлината, когато попадне върху поляризатор, се поляризира - навлиза в течна кристална среда и равнината на нейната поляризация се върти, следвайки ориентацията на течността кристална молекула - това са свойствата на течнокристалните молекули. И съответно, поради факта, че се върти на 90° в равнинна поляризация, светлината преминава през тази геометрия спокойно и ако се приложи електрическо поле, молекулите се подреждат по дължината на електрическото поле и следователно поляризираната светлина не променя поляризацията си и не може да премине през друг поляризатор. Ето как се появява тъмен образ. В действителност огледалото се използва върху ръчен часовник и могат да се направят сегменти, които позволяват да се визуализира някакъв образ. Това е най-простата схема, разбира се, мониторите с течни кристали са много по-сложни структури, многослойни, слоевете обикновено са много тънки - от десетки нанометри до микрони - но принципът е основно същият и този преход е, когато промяната на ориентацията на молекулите по протежение на електрическото или магнитното поле (мониторите използват електрическо поле, защото е по-лесно) се нарича преход (ефект) на Фредерикс и се използва активно във всички подобни устройства. Първият прототип е нематичен дисплей в циферблата.
И това е картина, илюстрираща колко малко електрическо поле е необходимо, за да се преориентира молекула течен кристал. Всъщност това е галваничен елемент, съставен от два картофа като електролит, тоест за такова преориентиране е необходимо много малко напрежение от порядъка на 1V, поради което тези вещества са толкова широко използвани. Друго приложение, а ние говорим за холестеричните течни кристали, за които ще говоря по-подробно, се дължи на факта, че те могат да променят цвета си в зависимост от температурата.
Това се дължи на различната стъпка на спиралата и е възможно да се визуализира например разпределението на температурата. Приключих с разговора за течните кристали с малка молекула и съм готов да изслушам въпросите ви за тях, преди да премина към полимерните течни кристали.
Обсъждане на лекцията. Част 1
Татяна Суханова, Институт по биоорганична химия: Отговорете на въпроса на любителя: в какъв диапазон се променя цветът на течните кристали и как това зависи от тяхната структура?
Алексей Бобровски: Говорим за холестерични течни кристали. Тук цветът се променя в зависимост от стъпката на холестеричната спирала. Има холестерици, които селективно отразяват светлината в UV областта, съответно невидимата област, и има холестерици, които селективно отразяват светлината поради тази периодичност в инфрачервената област, тоест говорим за микрони, десетки микрони и в случаят с цветни снимки, който го показах в поляризирана оптична микроскопия, там е по-сложно и цветът се дължи на факта, че поляризираната светлина, равнината на поляризация в течен кристал, се върти по различен начин и това зависи от дължина на вълната. Има сложна гама от цветове, като цялата видима гама е покрита, тоест можете да измислите да получите разнообразие от цветове.
Борис Долгин: Можете ли да ни кажете малко повече за живота?
Алексей Бобровски: За живота? По-конкретно за ролята на течните кристали в биологията?
Борис Долгин: Да.
Алексей Бобровски: За съжаление това изобщо не е моята тема. В края ще ви дам линк към книгата. На първо място, когато говорят за връзката на течните кристали в биологията, те говорят за това как те могат да бъдат използвани в медицината - има много различни варианти. В липидните клетъчни мембрани течнокристалното състояние възниква при разумни биологични температури.
Борис Долгин: И това изобщо не е артефакт, а това са допълнителни изследвания.
Алексей Бобровски: Да. Струва ми се, че ролята на течнокристалното състояние все още не е наистина известна и понякога има доказателства, че ДНК в клетка може да съществува в течнокристално състояние, но това е тема за бъдещи изследвания. Това не е моята научна област. Повече се интересувам от течнокристални синтетични полимери, за които ще говоря по-нататък.
Борис Долгин: LCD полимерите напълно изкуствени ли са?
Алексей Бобровски: Да, предимно всичко е изкуствено. Оцветяването, например, на някои бръмбари и пеперуди се дължи на такива естествени не течни кристали, а замразено течнокристално състояние, дължащо се на хитинови биологични полимери. Ето как еволюцията се оказа, че оцветяването не се дължи на пигменти, а на хитрата структура на полимерите.
Михаил Потанин: Имам въпрос относно магнитната чувствителност на течните кристали. Колко чувствителни са те към магнитните полета на Земята? Възможно ли е да се правят компаси с тях?
Алексей Бобровски: Не, не можеш. За съжаление това се случи. Какво определя чувствителността на течните кристали? Има концепцията за диамагнитна чувствителност и диелектрична константа, а в случай на електрическо поле всичко е много по-удобно и по-добре, тоест достатъчно е действително да приложите 1 V към такава течнокристална клетка - и всичко ще бъде преориентирано , а в случай на магнитно поле говорим за тесла - такава напрегнатост на полето несравнимо по-висока от силата на магнитното поле на Земята,
Лев Московкин: Може би имам напълно аматьорски въпрос. Лекцията е абсолютно очарователна, естетическото удовлетворение е голямо, но самото представяне е по-малко. Снимките, които показахте, наподобяват ядрото - те също са естетически активни - и реакцията на Жаботински, въпреки че вашите снимки не са циклични. Благодаря ти.
Алексей Бобровски: Не съм готов да отговоря на този въпрос. Това трябва да се разгледа в литературата. В полимерите и течните кристали има теория за "скейлинг", тоест самоподобие. Трудно ми е да отговоря на този въпрос, не съм компетентен в тази тема.
Наталия:Сега Нобеловите награди се присъждат на руски учени. Според вас Фредерикс, ако беше останал жив, можеше да получи тази награда? Изобщо някой от учените работили по тази тема получавал ли е Нобелова награда?
Алексей Бобровски: Мисля, че, разбира се, Фредерикс ще бъде първият кандидат. Умира в лагер по време на войната. Ако беше живял до 1968-1970 г., щеше да е първият кандидат за Нобелова награда - това е съвсем очевидно. Все още голям физик, но ненаграден (става въпрос за наши учени), - Цветков е основател на школата на физиците в Санкт Петербург, за съжаление тя се разпадна в една или друга степен. Въпросът кой е получил Нобеловата награда за течни кристали не беше специално разглеждан или изследван, но според мен само Пол дьо Жен получи Нобеловата награда за полимери и течни кристали.
Борис Долгин: Отмина ли завинаги модата за изучаване на течни кристали?
Алексей Бобровски: Да, разбира се, вече няма никакво вълнение, защото много вече е ясно с най-простата мезофаза (нематична течнокристална фаза) и е ясно, че тя е най-оптималната за използване. Все още има известен интерес към по-сложните фази, защото могат да се получат някои предимства в сравнение с добре проученото, но броят на публикациите за течнокристалното състояние намалява.
Борис Долгин: Тоест, не виждате никакви качествени скокове в разбирането, никакви зони, където би имало глобална мистерия.
Алексей Бобровски: Мисля, че е по-добре да не правя прогнози, защото всичко може да се случи. Науката не винаги се развива последователно. Понякога има странни скокове, така че не се наемам да правя прогнози.
Константин Иванович:Бих искал да знам колко са безопасни за човешкия живот.
Алексей Бобровски: Хората, които произвеждат LCD дисплеи, се подлагат на тестове за безопасност. Ако изпиете литър течен кристал, сигурно ще ви прилошее, но тъй като се използват милиграми, няма сериозна опасност. Това е много по-безопасно от счупен, изтичащ живак от термометър. Това е напълно несравнимо по вреда. Сега се появяват изследвания върху рециклирането на течни кристали. Чух един доклад, където този проблем се взема сериозно, че вече има голямо количество скрап и как може да бъде регенериран, но проблемите за околната среда са минимални. Те са безопасни.
Борис Долгин: Накрая имаше нещо много интересно. Ако си представите използван LCD монитор и т.н. Какво ще стане с него по-нататък, какво се случва? Как се изхвърля - или не се изхвърля, или се разгражда по някакъв начин, или остава?
Алексей Бобровски: Мисля, че молекулите на течните кристали са първото нещо, което ще се разложи под външни въздействия.
Борис Долгин: Значи тук няма особена специфика?
Алексей Бобровски: Разбира се, че не. Мисля, че там проблемите с рециклирането на пластмаси и полимери са много по-сложни.
Олег: Моля, кажете ми какво определя температурния диапазон на течнокристалните фази? Както знаете, всички съвременни дисплеи работят в много широк температурен диапазон. Как е постигнато това и от какви свойства и структура на материята се определят?
Алексей Бобровски: Страхотен въпрос. Наистина, обикновените съединения, повечето от органичните съединения, които се синтезират индивидуално, имат такива температури, както показах, холестерил бензоатът се топи при 140°, след това изотропно разлагане 170°. Има отделни вещества, които имат ниска точка на топене, около стайна температура, и се превръщат в обикновена изотропна течност около 50°, но за да се реализира такъв широк температурен диапазон, до минусови температури, трябваше да се направят смеси. Конвенционалните смесени състави от различни вещества, когато се смесят, тяхната точка на топене е значително намалена. Такъв трик. Обикновено това са хомоложни серии, това, което се използва в дисплеите, е бифенилово производно, където няма X и нитрилен заместител, а опашките с различна дължина се приемат като алкилови опашки, а сместа от 5-7 компонента позволява да се понижи точката на топене под 0°, оставяйки температурата на избистряне, т.е. прехода на течнокристалната в изотропна фаза, над 60° - това е такъв трик.
Текст на лекцията. Част 2
Преди всичко бих искал да кажа какво представляват полимерите.
Полимерите са съединения, които се получават чрез многократно повторение, тоест химично свързване на идентични единици - в най-простия случай идентични, както при полиетилена, това са CH 2 звена, свързани помежду си в една верига. Разбира се, има по-сложни молекули, дори ДНК молекули, чиято структура не се повтаря и е организирана по много сложен начин.
Основните видове полимерна топология: най-простите молекули са линейни верижни молекули, има разклонени полимери с форма на гребен. Гребеновидни полимери са изиграли важна роля в получаването на течнокристални полимери. Звездовидните, пръстеновидно свързани поликатенани са разнообразие от молекулни форми. Когато изследванията на течнокристалното състояние бяха в разгара си, когато се изучаваха течни кристали, възникна идея: възможно ли е да се комбинират уникалните оптични свойства на течните кристали с добрите механични свойства на полимерите - способността да образуват покрития, филми , а някои продукти? И това, което дойде на ум през 1974 г. (там беше първата публикация) - в края на 60-те - началото на 70-те години те започнаха да предлагат различни подходи за производството на течнокристални полимери.
Един подход е да се прикрепят пръчковидни, пръчковидни молекули към линейна макромолекула, но се оказа, че такива полимери не образуват течна кристална фаза - те са обикновени крехки стъкла, които при нагряване започват да се разлагат и не дават нищо . След това, паралелно, в две лаборатории (ще говоря за това по-подробно по-късно) беше предложен подход за прикрепване на такива пръчковидни молекули към основната полимерна верига чрез гъвкави разделители - или декупли, на руски. И тогава се оказва следното: има лека автономност между основната полимерна верига, тя протича до голяма степен независимо и поведението на пръчковидни молекули, тоест основната полимерна верига не пречи на образуването на пръчковидни молекули фрагменти от течнокристалната фаза.
Този подход се оказа много плодотворен и паралелно в две лаборатории - в лабораторията на Николай Алфредович Плате в Съветския съюз и в лабораторията в Рингсдорф - такъв подход беше предложен независимо и аз съм щастлив, че сега работя в лаборатория на Валерий Петрович Шибаев към Химическия факултет на Московския държавен университет, тоест работя в лабораторията, където е изобретено всичко това. Естествено, имаше спорове за приоритетите, но всичко това е маловажно.
Основни видове течнокристални полимери. Няма да говоря за такива главни вериги или основните групи на основната полимерна верига (това е един вид такива полимери), ще говоря главно за течнокристални полимери с форма на гребен, в които пръчковидни фрагменти са свързани с главна верига чрез гъвкав алифатен разделител.
Важно предимство на подхода за създаване на течнокристални полимери от гледна точка на синтеза и комбинацията от различни свойства е възможността за получаване на хомополимери. Тоест, вземете мономер, който е способен да образува верижна молекула, например поради двойна връзка, схематично изобразена тук, и можете да получите хомополимер, тоест полимер, чиито молекули се състоят от идентични пръчковидни фрагменти , или можете да направите съполимери чрез комбиниране на два различни фрагмента - И двата могат да образуват мезофаза, или могат да комбинират немезогенни фрагменти с мезогенни фрагменти и се оказва, че имаме способността химически да принудим различни компоненти да бъдат в едно и също полимерна система. С други думи, ако се опитаме да смесим такъв мономер с такъв мономер без химическо свързване, те ще дадат две отделни фази и чрез химическото им свързване ги принуждаваме да бъдат в една и съща система и тогава ще покажа защо това добро е.
Важно предимство и разлика между полимерните течни кристали и нискомолекулните течни кристали е възможността за образуване на стъкловидно състояние. Ако погледнете температурната скала: имаме изотропна фаза при високи температури, когато температурата се понижи, се образува течнокристална фаза (при тези условия полимерът изглежда като много вискозна течност), а когато се охлади, преходът към се наблюдава стъкловидно състояние. Тази температура обикновено е близка до или малко над стайната температура, но това зависи от химичната структура. По този начин, за разлика от нискомолекулните съединения, които са или течни, или преминават в кристално състояние, структурата се променя. При полимерите тази структура се оказва замръзнала в стъкловидно състояние, което може да се запази в продължение на десетилетия и това е важно от гледна точка на приложение, например за запис на съхранение на информация, можем да променим структура и ориентация на молекулата, фрагменти от молекулата и ги замразете при стайна температура. Това е важна разлика и предимство на полимерите от нискомолекулни съединения. За какво друго са полезни полимерите?
Това видео демонстрира течнокристален еластомер, тоест усеща се като гумена лента, която се свива при нагряване и се разширява при охлаждане. Тази работа е взета от Интернет. Това не е моя работа, тук е ускорено изображение, тоест в действителност, за съжаление, този преход се наблюдава в рамките на десетки минути. Защо се случва това? Какво представлява течнокристален еластомер, който има доста ниска температура на встъкляване, тоест той е в еластично състояние при стайна температура, но макромолекулите са омрежени и ако синтезираме филм в течнокристалната фаза, тогава полимерната верига леко повтаря ориентацията на мезогенните групи и ако я нагреем, мезогенните групи преминават в неподредено състояние и съответно прехвърлят основните полимерни вериги в неподредено състояние и анизометрията на макромолекулните спирали се променя. Това води до факта, че при нагряване, по време на прехода от мезофазата към изотропната фаза, се наблюдава промяна в геометричните размери на пробата поради промяна във формата на полимерните намотки. В случай на течни кристали с ниско молекулно тегло това не може да се наблюдава. Две групи в Германия - Finkelman, Zentel - и други групи работиха много върху тези неща. Същото може да се наблюдава и под въздействието на светлината.
Има много работи върху фотохромни полимери, които съдържат азобензенов фрагмент - два бензенови пръстена, свързани един с друг чрез NN двойна връзка. Какво се случва, когато такива молекулни фрагменти са изложени на светлина? Наблюдава се така наречената транс-цис изомеризация и пръчковидният фрагмент, когато се облъчи със светлина, се трансформира в скосена извита цис форма, огънат фрагмент. Това също води до факта, че редът в системата намалява значително и както видяхме по-рано по време на нагряване, също и по време на облъчване има намаляване на геометричните размери, промяна във формата на филма, в този случай наблюдавахме намаление.
По време на облъчването могат да се реализират различни видове деформации на огъване, тоест при облъчване с UV светлина може да се реализира такова огъване на филма. При излагане на видима светлина се наблюдава обратна цис-транс изомеризация и този филм се разширява. Възможни са всякакви варианти - може да зависи от поляризацията на падащата светлина. Говоря за това, защото сега това е доста популярна област на изследване на течнокристални полимери. Те дори успяват да направят някои устройства на базата на това, но засега, за съжаление, времето за преход е доста дълго, тоест скоростта е ниска и следователно е невъзможно да се говори за някаква конкретна употреба, но въпреки това това са такива изкуствено създадени мускули, които действат, работят при температурни промени или когато са изложени на светлина с различна дължина на вълната. Сега бих искал да ви разкажа малко за моята работа директно.
Каква е задачата на моята работа, нашата лаборатория. Вече говорих за предимствата на съполимеризацията, възможността за комбиниране на напълно различни фрагменти в един полимерен материал и основната задача, основният подход за създаване на такива различни многофункционални течнокристални полимери е съполимеризацията на голямо разнообразие от функционални мономери, които могат да бъдат мезогенни, тоест отговорни за образуването на течни кристални полимери, фази, хирални (ще говоря за хиралността по-късно), фотохромни, тоест те са способни да се променят под въздействието на светлина, електроактивни, които носят голям диполен момент и могат да бъдат преориентирани под въздействието на поле, различни видове функционални групи, които могат например да взаимодействат с метални йони, и са възможни промени в материала. И това е такава хипотетична гребеновидна макромолекула, нарисувана тук, но в действителност получаваме двойни или тройни съполимери, които съдържат различни комбинации от фрагменти и съответно можем да променим оптичните и други свойства на тези материали, използвайки различни влияния, напр. , светлина и електрическо поле. Един такъв пример за комбинация от хиралност и фотохромност.
Вече говорих за холестеричната мезофаза - факт е, че се образува спирална молекулярна структура с определена стъпка на спиралата и такива системи имат селективно отражение на светлината поради такава периодичност. Това е схематична диаграма на филмова секция: определена стъпка на спиралата и факт е, че селективното отражение е линейно свързано със стъпката на спиралата - пропорционално на стъпката на спиралата, тоест чрез промяна на стъпката на спиралата по един или друг начин, можем да променим цвета на филма, дължината на вълната на селективното отражение. Какво причинява такава структура с известна степен на усукване? За да се образува такава структура, хиралните фрагменти трябва да бъдат въведени в нематичната фаза.
Молекулярната хиралност е свойството на молекулите да бъдат несъвместими с техния огледален образ. Най-простият хирален фрагмент, който имаме пред себе си, са нашите две длани. Те са приблизително огледални образи един на друг и по никакъв начин не са сравними. Молекулярната хиралност въвежда в нематичната система способността за усукване и образуване на спирала. Трябва да се каже, че все още няма ясна, добре обясняваща теория за спиралното усукване, но въпреки това се наблюдава.
Има един важен параметър, няма да се спирам на него - това е силата на усукване и се оказа, че силата на усукване - способността на хиралните фрагменти да образуват спирална структура - силно зависи от геометрията на хиралните фрагменти.
Получихме хирално-фотохромни съполимери, които съдържат мезогенен фрагмент (показан като синя пръчица) - той е отговорен за образуването на нематична течна кристална фаза. Получени са съполимери с хирално-фотохромни фрагменти, които от една страна съдържат хирална молекула (група), а от друга страна, фрагмент, който е способен на фотоизомеризация, т.е. променя геометрията под въздействието на светлина, и чрез облъчване на такива молекули, ние индуцираме транс-цис-изомеризация, ние променяме структурата на хиралния фотохромен фрагмент и - като резултат - неговата способност да индуцира ефективността на индуциране на холестеричната спирала, тоест по този начин можем, например, развийте холестеричната спирала под въздействието на светлината, можем да направим това обратимо или необратимо. Как изглежда един експеримент, какво можем да приложим?
Имаме участък от холестеричен филм от холестеричен полимер. Можем да го облъчим с помощта на маска и локално да индуцираме изомеризация; по време на изомеризацията се променя структурата на хиралните фрагменти, тяхната способност за усукване намалява и се наблюдава локално размотаване на спиралата, и тъй като се наблюдава размотаване на спиралата, можем да променим дължината на вълната на селективното отражение на цвета, тоест на цветните филми.
Пробите, получени в нашата лаборатория, са полимерни проби, облъчени през маска. Можем да записваме различни видове изображения върху такива филми. Това може да е от приложен интерес, но бих искал да отбележа, че основният фокус на нашата работа е да изследваме влиянието на структурата на такива системи върху молекулярния дизайн, върху синтеза на такива полимери и върху свойствата на такива системи . Освен това се научихме не само да контролираме светлината, дължината на вълната на селективното отражение, но и да контролираме електричеството. Например, можем да запишем някакво цветно изображение и след това, чрез прилагане на електрическо поле, по някакъв начин да го променим. Поради универсалността на такива материали. Такива преходи - развиване-усукване на спиралата - могат да бъдат обратими.
Зависи от конкретната химична структура. Например, можем да накараме дължината на вълната на селективно отражение (всъщност оцветяване) да зависи от броя на циклите запис-изтриване, тоест, когато се облъчим с ултравиолетова светлина, развиваме спиралата и филмът се превръща от зелен в червен и след това можем да го нагреем до температура от 60° и да предизвикаме обратно усукване. По този начин можете да реализирате много цикли. В заключение бих искал да се върна малко към естетическия аспект на течните кристали и течнокристалните полимери.
Показах и говорих малко за синята фаза - сложна, много интересна структура, те все още се изучават, там се въвеждат наночастици и те виждат какво се променя там, а в течните кристали с ниско молекулно тегло тази фаза съществува в някакви части от градуса (2°-3°, но не повече), те са много нестабилни. Достатъчно е да натиснете малко пробата - и тази красива текстура, пример за нея е показан тук, се унищожава, а в полимерите през 1994-1995 г., чрез нагряване за дълго време, изпичане на филми при определени температури, успях за да видя толкова красиви текстури на холестерични сини фази и успях без никакви трикове (без да използвам течен азот) просто да охладя тези филми и да наблюдавам тези текстури. Съвсем наскоро намерих тези проби. Изминаха 15 години - и тези текстури останаха абсолютно непроменени, тоест хитрата структура на сините фази, като някои древни насекоми в кехлибар, остана фиксирана повече от 10 години.
Това е естествено удобно от изследователска гледна точка. Можем да поставим това в микроскоп за атомна сила и да изучаваме части от такива филми - това е удобно и красиво. Това е всичко за мен. Бих искал да се позова на литературата.
Първата книга на Сонин Анатолий Степанович, прочетох я преди повече от 20 години, 1980 г., от издателство „Кентавър и природа“, тогава, докато бях още ученик, започнах да се интересувам от течни кристали и така се случи, че Анатолий Степанович Сонин беше рецензент на дисертацията ми. По-съвременна публикация е статията на моя научен ръководител Валерий Петрович Шибаев „Течните кристали в химията на живота“. Има огромно количество литература на английски език; ако имаш интерес и желание можеш да намериш доста неща сам. Например книгата на Диркинг „Текстури на течни кристали“. Наскоро намерих книга, която се фокусира върху използването на течни кристали в биомедицината, тоест, ако някой се интересува от този конкретен аспект, препоръчвам го. Има имейл за комуникация, винаги ще се радвам да отговоря на вашите въпроси и може би да ви изпратя някои статии, ако има такъв интерес. Благодаря за вниманието.
Обсъждане на лекцията. Част 2
Алексей Бобровски: Трябваше да се покаже някаква специфична химия. Това е мой пропуск. Не, това е многоетапен органичен синтез. Вземат се някои прости вещества, в колби прилича на химическа кухня, молекулите по време на такива реакции се комбинират в по-сложни вещества, изолират се на почти всеки етап, по някакъв начин се анализират, установява се съгласието на структурата, която искаме да получим с онези спектрални данни, които ни дават инструментите, за да сме сигурни, че това е веществото, от което се нуждаем. Това е доста сложен последователен синтез. Разбира се, получаването на течнокристални полимери изисква още по-трудоемък синтез. Изглежда, че различни бели прахове правят оранжеви прахове. Течният кристален полимер прилича на гумена лента или е твърдо синтеровано вещество, но ако го нагреете и направите тънък филм (това е възможно при нагряване), тогава това странно вещество дава красиви снимки в микроскоп.
Борис Долгин: Имам въпрос, може би от друга област, всъщност може би първо Лев, после аз, за да не отвличам вниманието от фактическата част.
Лев Московкин: Много ме очаровахте с днешната лекция, за мен това е откриването на нещо ново. Въпросите са прости: колко силна е мускулната сила? Върху какво действа? И от незнание какво е текстура, как се различава от структурата? След вашата лекция ми се струва, че всичко, което е структурирано в живота, всичко благодарение на течните кристали, също се регулира до голяма степен от светлина и слаб импулс. Благодаря ти много.
Алексей Бобровски: Разбира се, не може да се каже, че всичко се регулира от течни кристали; това, разбира се, не е така. Има различни форми на самоорганизация на материята и течнокристалното състояние е само една от тези форми на самоорганизация. Колко силни са полимерните мускули? Не знам количествените характеристики в сравнение със съществуващите устройства на базата на желязо, грубо казано, разбира се, те не са толкова здрави, но искам да кажа, че съвременните бронежилетки например съдържат материала Kivlar - влакно, което има течнокристална структура тип основна верига, полимер с мезогенни групи в основната верига. В процеса на получаване на това влакно, макромолекулите се разтягат по посока на изтегляне и се осигурява много висока якост, което позволява изработването на здрави влакна за бронежилетки, задвижващи механизми или мускули, в етап на развитие, но силите могат да бъдат постигнати там много слабо. Разликата между текстура и структура. Текстурата е понятие, което се използва от хора, които се занимават с килими, дизайн на неща, някои визуални неща, артистичен дизайн, тоест това е преди всичко външен вид. За щастие текстурата на течните кристали, тоест характерната картина, помага много при определянето на структурата на течния кристал, но това всъщност са различни концепции.
Олег Громов, : Казахте, че има полимерни течнокристални структури, които имат фотохромен ефект и електрическа и магнитна чувствителност. Въпросът е следният. В минералогията също така е известно, че Чухров описва течнокристални образувания с неорганичен състав през 50-те години и се знае, че съществуват неорганични полимери, следователно въпросът е: съществуват ли неорганични течнокристални полимери и ако да, възможно ли е да съществуват да изпълнява тези функции и как се изпълняват в този случай?
Алексей Бобровски: Отговорът е по-вероятно не, отколкото да. Органичната химия, свойството на въглерода да образува разнообразие от различни съединения, направи възможно извършването на колосален дизайн на различни видове нискомолекулни течни кристали, полимерни съединения и като цяло, ето защо можем да говорим за някои вид разнообразие. Това са стотици хиляди полимерни вещества с ниско молекулно тегло, които могат да образуват течна кристална фаза. При неорганичните, за полимерите не знам, единственото, което ми идва на ум, са някакви суспензии от ванадиев оксид, които също изглеждат полимери и обикновено структурата им не е точно установена и това е на етап на изследване. Оказа се, че това е малко извън основното течение на науката, където всеки работи върху дизайна на органични конвенционални течни кристали и всъщност може да има образувания на лиотропни течнокристални фази, когато фазата е индуцирана не от промяна в температура, но предимно от наличието на разтворител, тоест това обикновено са нанокристали, задължително удължени, които поради разтворителя могат да образуват ориентационен ред. Специално приготвеният ванадиев оксид дава това. Други примери може и да не знам. Знам, че има няколко такива примера, но да се каже, че това е полимер, не е съвсем правилно.
Олег Громов, Институт по биохимия и аналитична химия на Руската академия на науките: Как тогава да разглеждаме течнокристалните образувания, открити от Чухров и други през 50-те години?
Алексей Бобровски: Не съм наясно, за съжаление този район е далеч от мен. Доколкото знам, струва ми се, че със сигурност е невъзможно да се говори конкретно за течнокристално състояние, тъй като думата „течност“, честно казано, не е приложима за полимери, които са в стъкловидно състояние. Неправилно е да се каже, че това е течнокристална фаза; правилно е да се каже „замразена течнокристална фаза“. Вероятно подобието, изроденият ред, когато няма триизмерен ред, но има двуизмерен ред, вероятно е общо явление и ако погледнете, можете да намерите много места. Ако изпратите връзки към такива произведения на моя имейл, ще съм много благодарен.
Борис Долгин: Много е хубаво, когато успеем да станем още една платформа, където учени от различни специалности могат да поддържат контакт.
Алексей Бобровски: Чудесно е
Глас от публиката: Още един аматьорски въпрос. Казахте, че фотохромните полимери с течни кристали имат сравнително ниска степен на реакция към промените в околната среда. Каква е приблизителната им скорост?
Алексей Бобровски: Говорим за отговор в рамките на минути. В случай на силно излагане на светлина на много тънки филми хората постигат втори отговор, но засега всичко това е бавно. Има такъв проблем. Има ефекти, които са свързани с нещо друго (не съм говорил за това): имаме полимерен филм и в него има фотохромни фрагменти и можем да бъдем изложени на поляризирана светлина с достатъчен интензитет и тази светлина може да предизвика ротационна дифузия, тоест въртенето на тези молекули перпендикулярно на равнината на поляризация - има такъв ефект, първоначално е открит отдавна, сега също се изучава и аз също го правя. При достатъчно висок интензитет на светлината ефектите могат да се наблюдават в рамките на милисекунди, но обикновено това не е свързано с промяна в геометрията на филма, а вътрешно, на първо място, се променят оптичните свойства.
Алексей Бобровски: Имаше опит да се направи материал за запис на информация и имаше такива разработки, но, доколкото знам, такива материали не могат да се конкурират със съществуващите магнитни записи и други неорганични материали, така че някак си интересът замря в тази посока, но това не означава, че няма да се възобнови отново.
Борис Долгин: Появата на, да речем, нови изисквания поради нещо.
Алексей Бобровски: Утилитарната страна на въпроса не ме интересува твърде много.
Борис Долгин: Въпросът ми е отчасти свързан с него, но не и за това как може да се използва, той е малко организационно утилитарен. В областта, в която работите във вашия отдел и т.н., както казахме, имате съвместни проекти, поръчки от някои бизнес структури и т.н. Как обикновено е структурирано взаимодействието в тази област: действителният учен изследовател, относително казано, изобретател/инженер или изобретател, и след това инженер, може би различни субекти, след това, относително казано, някакъв предприемач, който разбира какво да прави с това, може би, но това е малко вероятно, инвеститор, който е готов да даде пари на предприемач, за да може той да реализира този, както се казва сега, иновативен проект? Как е структурирана тази верига във вашата среда до степента, в която по някакъв начин сте влезли в контакт с нея?
Алексей Бобровски: Все още няма такава верига, а дали ще има не се знае. По принцип идеалната форма на финансиране е същата като конвенционалната фундаментална наука. Ако вземем за основа Руската фондация за фундаментални изследвания и всичко това, за което много пъти се говори, защото аз лично не бих искал да правя нещо толкова приложно, поръчка.
Борис Долгин: Затова говоря за различни теми и в никакъв случай не казвам, че един учен трябва да е инженер, предприемач и т.н. Говоря за различни теми, за това как може да се настрои взаимодействие, как взаимодействието може вече да работи.
Алексей Бобровски: Имаме различни оферти отвън, но това са предимно фирми от Тайван, Корея и Азия, за различни видове работа, свързани с използването на течнокристални полимери за различни приложения на дисплея. Имахме съвместен проект с Philips, Merck и други, но това е в рамките на съвместен проект - ние извършваме част от някаква изследователска работа и такъв интелектуален резултат или резултат под формата на полимерни проби или има продължение, или няма, а най-често завършва с размяна на мнения, някаква научна разработка, но това все още не е стигнало до някакво приложение. Сериозно - невъзможно е да се каже.
Борис Долгин: Получавате поръчка за някакво проучване, разработване на някакъв вариант, някаква идея.
Алексей Бобровски: Като цяло, да, това се случва, но не харесвам тази форма на работа (лично мое усещане). Каквото и да ми дойде в главата, го правя според силите си, а не защото някой е казал: „Направете такъв и такъв филм с такива свойства“. Не ме интересува.
Борис Долгин: Представете си човек, който се интересува от това. Как би могъл той, той, който се интересува от усъвършенстване на вашите общи научни идеи, които сте получили от вашия алтруистичен, строго научен интерес, как би могъл да взаимодейства с вас по начин, който би бил наистина интересен и за двама ви? Какво представлява тази организационна схема?
Алексей Бобровски: Трудно ми е да отговоря.
Борис Долгин: Общи семинари? Какво може да бъде това? Няма такива опити - някакви инженери?..
Алексей Бобровски: В рамките на съвместен проект може да се реализира всичко. Някакъв вид взаимодействие е напълно възможно, но вероятно не разбрах напълно въпроса какъв е проблемът?
Борис Долгин: Засега проблемът е липсата на взаимодействие между различните типове структури. Оказва натиск върху вас като учен или ви оказва натиск да правите неща, които може да не искате да правите. Това е проблема.
Алексей Бобровски: Това е проблем с колосалното недофинансиране
Борис Долгин: Представете си, че ще има допълнително финансиране, но това няма да премахне нуждата от техническо развитие. Как можете да преминете от вас към технологията по начин, който ви удовлетворява?
Алексей Бобровски: Факт е, че съвременната наука е доста отворена и това, което правя, го публикувам - и колкото по-рано, толкова по-добре.
Борис Долгин: Значи сте готови да споделите резултатите, надявайки се тези, които имат вкус, да се възползват от тях?
Алексей Бобровски: Ако някой прочете статията ми и има някаква идея, ще съм само благодарен. Ако от тази публикация излязат конкретни разработки, ще има патенти, пари, за бога. В тази форма бих се радвал, но за съжаление в действителност се оказва, че всичко съществува паралелно, няма такъв изход. Историята на науката показва, че често има забавяне на конкретно приложение след някакво фундаментално откритие - голямо или малко.
Борис Долгин: Или след като възникне някакво искане.
Алексей Бобровски: Или нещо такова.
Лев Московкин:Имам един леко провокативен въпрос. Темата, която Борис повдигна, е много важна. Има ли влияние на определена мода тук (това се чу на една от лекциите по социология)? Казахте, че сега работата с течни кристали не е модерна. Това не означава, че след като не се занимават с тях, значи не са необходими, може би този интерес ще се върне и най-важното...
Борис Долгин: Тоест Лев ни връща към въпроса за механизмите на модата в науката като в определена научна общност.
Лев Московкин:Всъщност и Чайковски е говорил за това, там модата е изключително силна във всички науки. Втори въпрос: добре знам как се избираха авторитети в науката, които умееха да обобщават. Можете да публикувате материалите си колкото искате, аз лично никога не ги срещам, за мен това е цял пласт, който просто не познавах. Обобщете по такъв начин, че да разберете стойността на това за разбирането на същия живот, за разбирането какво още можем да направим. Благодаря ти.
Борис Долгин: Не разбрах втория въпрос, но нека засега се занимаваме с първия - за модата в науката. Какъв е механизмът защо сега това не е модерно, има ли опасност в това?
Алексей Бобровски: Не виждам никаква опасност. Ясно е, че въпросите, свързани с финансирането, са важни, но въпреки това ми се струва, че в много отношения науката сега почива на конкретни хора, които имат конкретни лични интереси, интереси към този или онзи въпрос. Ясно е, че условията диктуват някои ограничения, но дейността на конкретни хора води до това, че дадена област се развива, както се развива всичко. Въпреки факта, че много се говори за това, че науката е станала колективна. Наистина, сега има големи проекти, понякога доста успешни, но въпреки това ролята на индивида в историята на науката дори и сега е огромна. Личните предпочитания и интереси играят важна роля. Ясно е, че както в случая с течните кристали, такова развитие в електрониката послужи като голям тласък за развитието на изследванията на течните кристали, когато разбраха, че течните кристали могат да се използват и да правят пари от тях, естествено, много пари отидоха в изследвания. Ясно е, че такава връзка...
Борис Долгин: Обратна връзка от бизнеса и науката.
Алексей Бобровски: ...това е една от характеристиките на съвременната наука, когато идва поръчка от хора, които печелят пари и произвеждат продукт - след което се финансира изследването и съответно се измества акцентът от интересното към какво е печелившо. Това има своите плюсове и минуси, но това е положението. Всъщност сега интересът към течните кристали постепенно изсъхна, защото всичко, което може да бъде извлечено, вече се произвежда и всичко остава да се подобри. Не знам, никога не съм мислил сериозно за това, въпреки това има различни видове приложения на дисплеи, в оптоелектрониката, приложения на течни кристали (хората работят върху това), като сензори, до степен, че работата е в ход относно възможността за използване на течни кристали като биологични сензорни молекули. Така че като цяло мисля, че интересът просто няма да пресъхне, освен това голяма вълна от изследвания е свързана с факта, че започнаха да се дават пари за нано. По принцип, въпреки факта, че е толкова популярна мода да се вкарват наночастици в течни кристали, има голям брой разработки, но сред тях има добри интересни работи, свързани с тази тема, тоест какво се случва с нанообектите, когато въведете течна кристална среда какви ефекти се появяват. Мисля, че е възможно развитие по отношение на получаването на всякакви различни сложни устройства, което е свързано с появата на метаматериали, които имат много интересни оптични свойства - това са необичайни структури, които се правят по различни начини в комбинация с течни кристали, появата на нови оптични ефекти и нови приложения са възможни. В момента преглеждам статии в списанието Liquid Crystals и нивото им пада, а броят на добрите статии намалява, но това не означава, че всичко е лошо и науката за течните кристали няма да умре, защото е много интересен обект. Спадът на интереса не ми изглежда като катастрофа.
Борис Долгин: Тук бавно преминаваме към втория въпрос, зададен ни от Лео. Ако въз основа на съществуващата се роди някаква фундаментално нова теория, която обещава нещо плюс за течните кристали, очевидно интересът веднага ще се увеличи.
Алексей Бобровски: Възможно е това да се случи.
Борис Долгин: Доколкото разбирам въпроса, това е, за което говорим: има интранаучни текстове, които постепенно променят нещо в разбирането, има иновативни текстове, които се променят радикално, но в същото време един вид интерфейс между специалисти и общество, може би състоящ се от същите учени, но от други области, има някои обобщаващи трудове, които ни обясняват, сякаш спояват тези части в някаква обща картина. Доколкото разбрах, Лев ни говори за това, питайки как се избира и кой пише тези обобщаващи произведения?
Алексей Бобровски: Има такова понятие - научна журналистика, което у нас не е много развито, но го има по целия свят и мога да си представя колко добре е развито там, но въпреки това го има и тук. Това показва и настоящата публична лекция
Борис Долгин: Не може да се каже, че някой умишлено затваря обема на работа.
Алексей Бобровски: Не, никой нищо не крие, напротив, всички нормални учени се опитват да покажат на света какво са направили: възможно най-бързо и възможно най-достъпно според възможностите си. Ясно е, че някой може да разкаже добра история, а някой може да разкаже лоша история, но за това са научните журналисти, които могат да служат като предавател на информация от учените към обществото.
Борис Долгин: Дори в съветско време съществуваше научно-популярна литература, имаше и специален жанр - научна фантастика, отчасти колекциите „Пътища в неизвестното“ в началото на 60-те години, книгите от поредицата „Еврика“, една от първите пост- пионер на войната е Даниил Данин, който пише главно за физика. Друг е въпросът, че все още има учени, които пишат някакви обобщаващи трудове, популяризирайки нещо за някого, но едва ли някой избира кой да пише и кой да чете или да не чете. Гореспоменатият Чайковски пише нещо, някой го харесва.
Алексей Бобровски: Проблемът, струва ми се, е следният. Факт е, че нормалните учени у нас вече са катастрофално малко, а състоянието на самата наука е по-лошо от всякога. Ако говорим за течни кристали и течнокристални полимери, то това са изолирани лаборатории, които вече умират. Ясно е, че през 90-те години имаше някакъв колапс и кошмар, но като цяло можем да кажем, че в Русия няма наука за течните кристали. Имам предвид - научната общност, оказва се, че по-често общувам с хора, които работят в чужбина, чета статии и всичко това, но практически няма статии от нас. Проблемът е, че нямаме наука, а не че няма обобщаващи трудове в тази наука. Можете да обобщавате какво се случва на Запад - това също е прекрасно, но няма основа, няма важна връзка, няма учени.
Лев Московкин:Ще поясня, въпреки че по принцип всичко е точно. Факт е, че винаги се въртим около темата от последната лекция. Състезанието в науката между учените е толкова силно, че съм абсолютно поласкан, че го видях с очите си и съм съгласен, че всеки учен се стреми да покаже на света постиженията си. Това е достъпно само за някой, който е признат авторитет, като Тимофеев-Ресовски. Това се правеше по съветско време - знае се как - и тук има ефект, пример, който може да обясни много - ефектът от зелената тетрадка, която беше публикувана кой знае къде и никой не може да си спомни какво представлява тази обикновена конференция. беше наречено, защото нито едно списание, сега акредитирано от Висшата атестационна комисия, академично списание, не би приело такава новост по принцип, но то роди нова наука, превърна се в наука за генетиката, в разбирането на живота, и това, общо взето, вече е известно. Това беше по съветско време с подкрепа отгоре - Тимофеев-Ресовски беше подкрепен на пленума на ЦК на КПСС от конкуренцията на колегите си, иначе щеше да бъде изяден.
Борис Долгин: Ситуация, в която държавата довърши значителна част от науката: без подкрепа от други бази на държавата беше невъзможно да се избяга.
Лев Московкин:В генетиката има лавина от данни, които няма кой да обобщи, защото никой не вярва на никого и никой не признава авторитета на другите.
Борис Долгин: Защо?! Говореха генетици, които бяха слушани от други генетици и те обсъждаха с удоволствие.
Алексей Бобровски: Не знам какво се случва в генетиката, но в науката, с която се занимавам, ситуацията е абсолютно обратната. Хората, които веднага получават нов интересен резултат, се опитват да го публикуват възможно най-бързо.
Борис Долгин: Най-малкото от интересите на състезанието - да заложа място.
Алексей Бобровски: Да. Ясно е, че може да не напишат някои подробности за методите и така нататък, но обикновено, ако напишете имейл и попитате как сте го направили там, просто е много интересно, всичко се отваря напълно - и... .
Борис Долгин: По Ваши наблюдения науката става все по-отворена.
Алексей Бобровски: Аз поне живея в ерата на отворената наука и това е добре.
Борис Долгин: Благодаря ти. Когато молекулярните биолози разговаряха с нас, те обикновено ни насочваха към доста отворени бази данни и т.н. и ни препоръчваха да се свържем с тях.
Алексей Бобровски: Във физиката има същото, има архив, където хората могат да публикуват сурова (противоречива) версия на статия дори преди да преминат през рецензия, но тук по-скоро има борба за скоростта на публикуване, колкото по-бързо са приоритет. Не виждам никакво затваряне. Ясно е, че това няма нищо общо със затворените военни и други, говоря за наука.
Борис Долгин: Благодаря ти. Още въпроси?
Глас от публиката: Нямам толкова въпрос, колкото предложение, идея. Мисля, че тази тема за картини на кристализация има голям потенциал за преподаване на наука на деца и млади хора в училищата. Може би има смисъл да се създаде един електронен урок, предназначен за 45 минути, и да се разпространи в средните училища? Сега има електронни табла, които мнозина не използват, разпоредено е на училищата да ги имат. Мисля, че би било хубаво да покажете тези снимки на децата в продължение на 45 минути и след това, накрая, да им обясните как се прави всичко. Струва ми се, че би било интересно да се предложи такава тема и по някакъв начин да се финансира.
Алексей Бобровски: Готов съм да помогна, ако нещо се случи. Осигурете, напишете каквото е необходимо.
Борис Долгин: Удивително. Така се образуват обобщенията, така се нарежда. Глоба. Благодаря много. Други творчески въпроси? Може би са пропуснали някого, не ги виждаме, според мен най-вече са го обсъждали.
Борис Долгин: Има учени, няма наука.
Борис Долгин: Значи е необходимо или необходимо и достатъчно условие?
Алексей Бобровски: Да, щетите са необратими, времето е загубено, това е напълно очевидно и, разбира се, звучи: „Как така в Русия няма наука?! Как така? Това не може да бъде, има наука, има учени, има статии.” Първо, на ниво ниво, чета научни списания всеки ден. Много рядко се срещат статии на руски автори, направени в Русия, върху течни кристали или полимери. Това е така, защото или нищо не се случва, или всичко се случва на толкова ниско ниво, че хората не могат да го публикуват в нормално научно списание, естествено никой не ги познава. Това е абсолютно ужасна ситуация.
Алексей Бобровски: Все повече и повече.
Борис Долгин: Тоест проблемът не е в авторите, проблемът е в науката.
Алексей Бобровски: Да, това е, разбира се, в Русия няма идеална, добре функционираща структура или поне някак работеща под името „Наука“. За щастие има отвореност на лаборатории, които работят повече или по-малко на нормално ниво и са включени в общия научен процес на международната наука - това е развитието на възможностите за комуникация чрез интернет, по други начини отвореността на границите ви позволява да не се чувствам отделен от световния научен процес, но това, което се случва в страната, така че, естествено, няма достатъчно пари и ако увеличите финансирането, едва ли ще промените нещо, защото паралелно с увеличаването на финансирането е необходимо да могат да се изследват тези хора, на които се дават тези пари. Можете да дадете пари, някой ще ги открадне, ще ги похарчи кой знае за какво, но ситуацията няма да се промени по никакъв начин.
Борис Долгин: Строго погледнато, имаме проблем с кокошката и яйцето. От една страна няма да създаваме наука без финансиране, от друга страна с финансиране, но без научната общност, която ще осигури пазар за експертиза и ще осигури нормални репутации, ние няма да можем да дадем тези пари в начин, който ще помогне на науката.
Алексей Бобровски: С други думи, необходимо е да се привлече международна експертиза и оценка от силни учени, независимо от тяхната държава. Естествено се налага преминаване на английски на удостоверителните дела, свързани със защита на кандидатски и докторски дисертации; Поне резюметата трябва да са на английски език. Това е абсолютно очевидно и ще има някакво движение в тази посока, може би някак ще се промени към по-добро и така - ако дадете пари на всички... естествено силни учени, които ще получат повече пари - те, разбира се, ще работи по-ефективно, но по-голямата част от парите ще изчезнат незнайно къде. Това е моето мнение.
Борис Долгин: Моля, кажете ми, вие сте млад учен, но вече сте доктор на науките и младите хора идват при вас в различен смисъл, студенти, по-млади учени. Има ли такива, които идват за вас?
Алексей Бобровски: Работя в университета и волю или неволю понякога искам, понякога не искам, ръководя курсова, дипломна и следдипломна работа.
Борис Долгин: Има ли сред тях бъдещи учени?
Алексей Бобровски: Вече има. Има доста успешно работещи хора, които съм ръководил, например постдоктори или ръководители на научни групи, разбира се, говорим само за чужбина. Тези, които водех и останаха в Русия, те не се занимават с наука, защото трябва да си изхранват семейството и да живеят нормално.
Борис Долгин: Благодаря ви, тоест финанси.
Алексей Бобровски: Разбира се, финансирането и заплатите не издържат на критика.
Борис Долгин: Това все още е лично...
Алексей Бобровски: В това няма никаква тайна. Заплатата на старши изследовател с кандидатски минимум в университета е петнадесет хиляди рубли на месец. Всичко останало зависи от дейността на учения: ако той може да има международни грантове и проекти, тогава той получава повече, но със сигурност може да разчита на петнадесет хиляди рубли на месец.
Борис Долгин: Какво ще кажете за докторска степен?
Алексей Бобровски: Още не са ми дали, още не знам точно колко ще ми дадат, освен това ще добавят четири хиляди.
Борис Долгин: Споменатите субсидии са доста важно нещо. Точно днес публикувахме новина, изпратена от интересен изследовател, но когато беше зададен въпросът за финансирането, тя говори по-специално за значението на тази област и отново, да не говорим за нашите публикации, министър Фурсенко казва, че научните ръководители трябва да отпускат да финансират своите специализанти и по този начин да ги мотивират финансово.
Алексей Бобровски: Не, това обикновено се случва в добра научна група, ако човек като Валери Петрович Шибаев, ръководител на лабораторията, в която работя, има голямо заслужено име в научния свят, има възможност за безвъзмездни средства и проекти. По-често не стигам до „гола“ заплата от петнадесет хиляди, винаги има някакви проекти, но не всеки може да го направи, това не е общо правило, затова всички напускат.
Борис Долгин: Тоест, лидерът трябва да има доста висок международен авторитет и също да бъде в потока.
Алексей Бобровски: Да, най-често. Мисля, че имах късмет в много отношения. Елементът на присъединяването към силна научна група работи по положителен начин.
Борис Долгин: Тук виждаме обратната връзка на добрата стара наука, факта, че е възникнала тази най-мощна научна група, благодарение на която сте успели да осъзнаете своята траектория. Да, това е много интересно, благодаря. Аз имам последната дума.
Глас от публиката: Не претендирам, че имам последната дума. Държа да отбележа, че това, за което говорите, е напълно разбираемо и не го приемайте като спорт. Искам да отбележа, че в лекцията на Алексей Савватеев беше казано, че в Америка изобщо няма наука. Неговата гледна точка е също толкова убедително аргументирана, колкото и вашата. От друга страна, в Русия науката се развиваше особено бързо, когато науката изобщо не плащаше, а активно се крадеше и такива неща се случваха.
Борис Долгин: За края на 19 - началото на 20 век ли говорим?
Борис Долгин: В Германия?
Борис Долгин: И когато неговите научни изследвания се развиха по-активно...
Глас от публиката: В Русия, не той, а в Русия като цяло науката се развиваше най-ефективно, когато не плащаха. Има такъв феномен. Това мога да го обоснова, това не е гледна точка, Борис, това е факт. Също така искам да ви кажа съвсем отговорно - това вече не е факт, а извод - че вашите надежди, че международната експертиза и английският език ще ви помогнат, са напразни, защото, работейки в Думата, виждам ожесточена конкуренция за права и лобиране в Думата за едностранни закони за авторското право срещу Америка. Всички те приписват огромен процент интелектуална собственост, те изобщо не се интересуват да гарантират, че нашите оръжия не се копират там, те сами го правят.
Борис Долгин: Разбирам, проблемът...
Алексей Бобровски: Оръжията и науката са паралелни неща.
Глас от публиката: Последният пример: факт е, че когато Женя Ананьев, той и аз учехме заедно в Биологическия факултет, открихме мобилни елементи в генома на дрозофила, признанието дойде едва след публикация в списанието „Хромозоми“, но авторитетът на Хисин проби през това публикация, защото прегледът беше такъв: „във вашата тъмна Русия не знаят как да възпроизвеждат ДНК“. Благодаря ти.
Борис Долгин: Представите за нивото на научните изследвания в дадена страна при липса на твърда, ясна система за рецензиране на статии, когато се използват общи идеи, е проблем.
Алексей Бобровски: По отношение на английския език всичко е много просто - той е международен научен език. Всеки учен, занимаващ се с наука, например в Германия, германец публикува почти всичките си статии на английски. Между другото, много дисертации се защитават на английски в Германия, да не говорим за Дания и Холандия, дори само защото там има много чужденци. Науката е международна. Исторически езикът на науката е английският.
Борис Долгин: Съвсем наскоро се случи така, че езикът на науката беше немски.
Алексей Бобровски: Сравнително наскоро, но въпреки това сега е така, така че преходът към английски беше очевиден, поне на нивото на резюметата и сертификационните неща, така че нормалните западни учени да могат да четат тези резюмета, да дават обратна връзка, да оценяват, за да махнете се от нашето блато, иначе всичко ще потъне напълно в неизвестността и това, което ще остане е пълна профанация. Това вече се случва по много начини, но трябва по някакъв начин да се опитаме да излезем от това блато.
Борис Долгин: Отворете прозорците, за да предотвратите появата на миризми.
Алексей Бобровски: Поне започнете да проветрявате.
Борис Долгин: Глоба. Благодаря ти. Това е оптимистична рецепта. Всъщност вашата траектория вдъхва оптимизъм, въпреки целия песимизъм.
Алексей Бобровски: Отново се отклонихме от факта, че основната идея на лекцията е да ви демонстрираме колко красиви и интересни са течните кристали. Надявам се, че всичко, което казах, ще предизвика известен интерес. Сега можете да намерите много информация за течните кристали, това е първото нещо. И второ, независимо от каквито и да било условия, учени винаги ще има, нищо не може да спре научния прогрес, това също вдъхва оптимизъм, а историята показва, че винаги има хора, които движат науката напред, за които науката е преди всичко.
В циклите „Публични лекции „Полит.ру” и „Публични лекции „Полит.ua”” бяха изнесени следните лектори:
- Леонард Полишчук. Защо големите животни са изчезнали в късния плейстоцен? Отговор от гледна точка на макроекологията
- Мирослав Маринович. Духовно обучение на ГУЛАГ
- Кирил Есков. Еволюция и автокатализа
- Михаил Соколов. Как се управлява научната продуктивност. Опит от Великобритания, Германия, Русия, САЩ и Франция
- Олег Устенко. Историята на една незавършена криза
- Григорий Сапов. Капиталистически манифест. Животът и съдбата на книгата на Л. фон Мизес "Човешка дейност"
- Александър Ирванец. Значи такъв си, чичо писател!
- Владимир Катанаев. Съвременни подходи за разработване на лекарства срещу рак
- Вахтанг Кипиани. Периодичен самиздат в Украйна. 1965-1991
- Виталий Найшул. Възприемането на културата от църквата
- Николай Каверин. Грипни пандемии в човешката история
- Александър Филоненко. Теология в университета: завръщане?
- Алексей Кондрашев. Човешка еволюционна биология и здраве
- Сергей Градировски. Съвременните демографски предизвикателства
- Александър Кислов. Климатът в миналото, настоящето и бъдещето
- Александър Аузан, Александър Пасхавер. Икономика: социални ограничения или социални резерви
- Константин Попадин. Любов и вредни мутации или защо паунът се нуждае от дълга опашка?
- Андрей Осталски. Предизвикателства и заплахи за свободата на словото в съвременния свят
- Леонид Пономарев. От колко енергия се нуждае човек?
- Жорж Ниват. Превод на тъмното: начини за комуникация между културите
- Владимир Гелман. Субнационален авторитаризъм в съвременна Русия
- Вячеслав Лихачов. Страх и омраза в Украйна
- Евгений Гонтмахер. Модернизация на Русия: позицията на INSOR
- Доналд Будро. Антимонополната политика в услуга на частни интереси
- Сергей Ениколопов. Психология на насилието
- Владимир Кулик. Езикова политика на Украйна: действия на властите, мнения на граждани
- Михаил Блинкин. Транспорт в удобен за живот град
- Алексей Лидов, Глеб Ивакин. Свещено пространство на древен Киев
- Алексей Савватеев. Накъде върви икономиката (и ни води)?
- Андрей Портнов. историк. Гражданин. състояние. Опит в изграждането на нация
- Павел Плечов. Вулкани и вулканология
- Наталия Висоцкая. Съвременната литература на САЩ в контекста на културния плурализъм
- Дискусия с Александър Аузан. Какво е модернизация на руски?
- Андрей Портнов. Упражнения с история на украински: резултати и перспективи
- Алексей Лидов. Икона и икона в сакралното пространство
- Ефим Рачевски. Училището като социален асансьор
- Александра Гнатюк. Архитекти на полско-украинското взаимно разбирателство от междувоенния период (1918-1939)
- Владимир Захаров. Екстремни вълни в природата и в лабораторията
- Сергей Неклюдов. Литературата като традиция
- Яков Гилински. От другата страна на забраната: гледната точка на един криминолог
- Даниил Александров. Средни слоеве в транзитните постсъветски общества
- Татяна Нефедова, Александър Никулин. Селска Русия: пространствена компресия и социална поляризация
- Александър Зинченко. Копчета от Харков. Всичко, което не помним за украинския Катин
- Александър Марков. Еволюционни корени на доброто и злото: бактерии, мравки, хора
- Михаил Фаворов. Ваксини, ваксинация и тяхната роля за общественото здраве
- Василий Загнитко. Вулканична и тектонична активност на Земята: причини, последствия, перспективи
- Константин Сонин. Икономика на финансовата криза. Две години по-късно
- Константин Сигов. Кой търси истината? "Европейски речник на философиите"?
- Микола Рябчук. Украинска посткомунистическа трансформация
- Михаил Гелфанд. Биоинформатика: молекулярна биология между епруветката и компютъра
- Константин Северинов. Наследственост при бактериите: от Ламарк до Дарвин и обратно
- Михаил Черниш, Елена Данилова. Хората в Шанхай и Санкт Петербург: ера на голяма промяна
- Мария Юдкевич. Там, където сте родени, вие сте полезни: кадровата политика на университета
- Николай Андреев. Математическите изследвания - нова форма на традиция
- Дмитрий Бак. „Модерна“ руска литература: промяна на канона
- Сергей Попов. Хипотези в астрофизиката: защо тъмната материя е по-добра от НЛО?
- Вадим Скуратовски. Киевска литературна среда от 60-те - 70-те години на миналия век
- Владимир Дворкин. Стратегически оръжия на Русия и Америка: проблеми на намаляването
- Алексей Лидов. Византийски мит и европейска идентичност
- Наталия Яковенко. Концепцията за нов учебник по украинска история
- Андрей Ланков. Модернизация в Източна Азия, 1945-2010 г.
- Сергей Случ. Защо Сталин се нуждаеше от пакт за ненападение с Хитлер?
- Гюзел Улумбекова. Поуки от руските здравни реформи
- Андрей Рябов. Междинни резултати и някои характеристики на постсъветските трансформации
- Владимир Четвернин. Съвременна правна теория на либертарианството
- Николай Дронин. Глобалните климатични промени и Протоколът от Киото: резултати от десетилетието
- Юрий Пивоваров. Исторически корени на руската политическа култура
- Юрий Пивоваров. Еволюцията на руската политическа култура
- Павел Печенкин. Документалното кино като хуманитарна технология
- Вадим Радаев. Революция в търговията: влияние върху живота и потреблението
- Алек Епщайн. Защо чуждата болка не боли? Памет и забрава в Израел и Русия
- Татяна Черниговская. Как мислим? Многоезичие и мозъчна кибернетика
- Сергей Алексашенко. Година на криза: какво се случи? какво е направено какво да очаквам?
- Владимир Пастухов. Силата на взаимното отблъскване: Русия и Украйна – две версии на една и съща трансформация
- Александър Юриев. Психология на човешкия капитал в Русия
- Андрей Зорин. Хуманитарното образование в три национални образователни системи
- Владимир Плунгян. Защо съвременната лингвистика трябва да бъде корпусна лингвистика
- Никита Петров. Престъпният характер на сталинския режим: правни основания
- Андрей Зубов. Източноевропейски и постсъветски пътища към връщане към плуралистична държавност
- Виктор Вахщайн. Краят на социологията: перспективи за социологията на науката
- Евгений Онищенко. Конкурентна подкрепа за науката: как се случва в Русия
- Николай Петров. Руска политическа механика и криза
- Александър Аузан. Общественият договор: Поглед от 2009 г
- Сергей Гуриев. Как кризата ще промени световната икономика и икономическата наука
- Александър Асеев. Академичните градове като центрове на науката, образованието и иновациите в съвременна Русия
Министерство на образованието и науката на Руската федерация
Казански (Поволжски) федерален университет
Химически институт на името на. А. М. Бутлерова
Катедра по неорганична химия
Резюме по темата:
« Полимери с течни кристали"
Работата е завършена
ученик от група 714
Khikmatova G.Z.
Проверих работата
Игнатиева К.А
Казан-2012.
Въведение……………………………………………………………………………………..3
1. Течни кристали………………………………………………………......
1.1. История на откритието…………………………………………………….……...4
1.2. Видове кристална фаза……………………………………….……....7
1.3. Методи за изследване на течни кристали………..………………….…………....11
2. Полимери с течни кристали…………………………………………….13
2.1.Принципи на молекулярния дизайн на LC полимери.......14
2.2. Основни видове течнокристални полимери……………….18
2.3. Структура и особености на свойствата на LC полимери..………………….….20
2.4. Области на приложение………………………………………………………..
2.4.1 Контрол на електрическото поле - пътят към получаване на тънкослойни оптични материали…………………………………………21
2.4.2. Холестерични LC полимери - спектрозонални филтри и кръгови поляризатори……………………………………………………….23
2.4.3.LC полимери като контролирана оптично активна среда за запис на информация…………………………………………………………………………..24
2.4.4. Влакна със свръхвисока якост и самоподсилени пластмаси………………………………………………………………………………….25
Използвана литература…………………………………………………….…28
Приложение.
Въведение.
80-те години в полимерната наука бяха белязани от раждането и бързото развитие на нова област - химията и физиката на течнокристалните полимери. Тази област, която обединява химици-синтетици, теоретични физици, класически физикохимици, полимерни учени и технолози, прерасна в интензивно развиваща се нова посока, която много бързо донесе практически успех в създаването на високоякостни химически влакна, а днес привлича вниманието на специалисти по оптика и микроелектроника. Но най-важното дори не е това, а фактът, че течнокристалното състояние в полимерите и полимерните системи, както се оказа, е не само изключително често - много стотици полимерни течни кристали са описани днес - но също така представлява стабилен равновесно фазово състояние на полимерни тела.
В това дори има известен парадокс. През 1988 г. се чества стогодишнината, откакто австрийският ботаник F. Reinitzer описва първото течнокристално вещество, холестерил бензоат. През 30-те години на миналия век е разработена физиката на нискомолекулните органични течни кристали, а през 60-те години милиони устройства, базирани на тези кристали, вече работят в света. Въпреки това през 60-те и 70-те години повечето полимерни учени не можеха да си представят, например, съществуването на термотропни течнокристални полимери от холестеричен тип и като цяло такива системи изглеждаха екзотични представители на нетипични макромолекулни обекти. И всъщност през последните години имаше един вид „експлозия“ на информация и днес никой не е изненадан от лиотропните и термотропните течнокристални полимери, синтезирани от десетки всеки месец.
В тази работа исках да говоря за това кога и как е открито течнокристалното състояние, какво е уникалното на течните кристали в сравнение с други обекти, за течнокристалните полимери и защо те са интересни и прекрасни.
Течни кристали.
Повечето вещества могат да съществуват само в три агрегатни състояния: твърдо, течно и газообразно. Чрез промяна на температурата на дадено вещество, то може да бъде прехвърлено последователно от едно състояние в друго. Обикновено се разглежда структурата на твърдите тела, която включва кристали и аморфни тела. Отличителна черта на кристалите е наличието в тях на далечен ред и анизотропия на свойствата (с изключение на кристали с център на симетрия). В аморфните твърди тела има само близък ред и, като следствие, те са изотропни. Близък ред съществува и в течност, но течността има много нисък вискозитет, тоест има течливост.
Освен изброените три агрегатни състояния има и четвърто, т.нар течен кристал.Той е междинен между твърдо и течно вещество и се нарича още мезоморфно състояние. В това състояние може да има много голям брой органични вещества със сложни пръчковидни или дисковидни молекули. В този случай те се наричат течни кристалиили мезофаза.
В това състояние веществото има много характеристики на кристал, по-специално се характеризира с анизотропия на механични, електрически, магнитни и оптични свойства и в същото време те имат свойствата на течност. Подобно на течностите, те са течни и приемат формата на съда, в който са поставени.
Въз основа на техните общи свойства LC могат да бъдат разделени на две големи групи. Наричат се течни кристали, които се образуват при температурни промени термотропен.Наричат се течни кристали, които се появяват в разтвори при промяна на концентрацията им лиотропен.
1.1. Течните кристали са открити през 1888 г. Австрийският професор по ботаника F. Reinitzer, докато изучава новото вещество, което синтезира, холестерил бензоат, което е естер на холестерола и бензоената киселина.
Той открива, че при нагряване до 145° кристалната фаза (бял прах) се превръща в странна мътна течност, а при допълнително нагряване до 179° се наблюдава преход в обикновена прозрачна течност. Той се опита да пречисти това вещество, тъй като не беше сигурен, че има чист холестерил бензоат, но въпреки това тези два фазови прехода бяха възпроизведени. Той изпрати проба от това вещество на своя приятел физик Ото фон Леман. Lehman изучава обикновени кристали, включително пластмасови кристали, които са меки на допир и се различават от обикновените твърди кристали. Основният метод на изследване беше поляризационна оптична микроскопия - микроскоп, при който светлината преминава през поляризатор, преминава през вещество и след това през анализатор - през тънък слой вещество. Когато кристали от определено вещество се поставят между поляризатора и анализатора, можете да видите текстури - характерни изображения за различни кристални вещества - и по този начин да изследвате оптичните свойства на кристалите. Оказа се, че Ото фон Леман му е помогнал да разбере каква е причината за междинното състояние, заблудата. Ото фон Леман беше сериозно убеден, че всички свойства на кристалните вещества, кристалите, зависят единствено от формата на молекулите, тоест няма значение как са разположени в този кристал, важна е формата на молекулите. И в случая с течните кристали той беше прав - формата на молекулите определя способността за образуване на течна кристална фаза (главно формата на молекулите). През 1888 г. Райницер пише, че има кристали, чиято мекота е такава, че могат да се нарекат течни, тогава Леман пише статия за течащите кристали, всъщност той въвежда термина течни кристали. Установено е, че течните кристали са многобройни и играят важна роля в биологичните процеси. Те са например част от мозъка, мускулната тъкан, нервите и мембраните. Терминът "течни кристали", основан на съвместното използване на две, в известен смисъл, противоположни думи - "течен" и "кристален", се е утвърдил добре, въпреки че терминът "мезофаза", въведен от френския физик Дж. Friedel тридесет години след откритието на F. Reinitzer, произлизащо от гръцката дума "mesos" (междинен), очевидно е по-правилно. Тези вещества представляват междинна фаза между кристална и течна фаза, те възникват по време на топенето на твърдата фаза и съществуват в определен температурен диапазон, докато при по-нататъшно нагряване се превърнат в обикновена течност. Важен исторически епизод: през 20-30-те години съветският физик Фредерикс изследва влиянието на различни магнитни и електрически полета върху оптичните свойства на течните кристали и открива важно нещо, че ориентацията на молекулите в течните кристали много лесно се променя влиянието на външни полета, а тези полета са много слаби и се променят много бързо. От края на 60-те години започва бум в изследването на течнокристални системи и течнокристални фази и това е свързано с факта, че те се научиха да ги използват. Първо, за системи за показване на информация в обикновени електронни цифрови часовници, след това в калкулатори, а с навлизането на компютърните технологии стана ясно, че течните кристали могат активно да се използват за производството на дисплеи. Естествено, такъв технологичен скок стимулира изучаването на течните кристали от гледна точка на фундаменталната наука, но трябва да се отбележи колко голяма е разликата във времето между научните открития, свързани с течните кристали. Всъщност хората се интересуваха от тях от любопитство, нямаше утилитарен интерес, никой не знаеше как да ги използва и, освен това, в онези години (20-30-те) теорията на относителността беше много по-интересна. Между другото, Фредерикс е популяризатор на теорията на относителността в Съветския съюз, след това е репресиран и умира в лагерите. Всъщност минаха 80 години след откриването на течните кристали, докато се научат да ги използват.
1.2. В процеса на изучаване на течните кристали се изясниха физическите причини за четвъртото състояние на материята. Основната е несферичната форма на молекулите. Молекулите в тези вещества са удължени в една посока или дисковидни. Такива молекули са разположени или по определена линия, или в избрана равнина. Известни са три основни типа кристална фаза: нематичен(от гръцката дума "нема" - нишка), смектичен(от гръцката дума "smegma" - сапун), холестеричен.
В нематичните течни кристали центровете на масата на молекулите са разположени и се движат хаотично, както в течност, а осите на молекулите са успоредни. По този начин редът на дълги разстояния съществува само по отношение на ориентацията на молекулите. Всъщност нематичните молекули извършват не само транслационни движения, но и ориентационни вибрации. Следователно няма строг паралелизъм на молекулата, но има преобладаваща средна ориентация (фиг. 7.19).Амплитудата на ориентационните вибрации зависи от температурата. С повишаване на температурата възникват по-големи отклонения от паралелизма в ориентацията и в точката на фазовия преход ориентацията на молекулите става хаотична. В този случай течният кристал се превръща в обикновена течност.
От най-голям интерес за практически приложения са веществата, които съществуват в нематичната мезофаза при стайна температура. Понастоящем чрез приготвяне на смеси от различни вещества се получават нематици в района от -20 до +80 градуса и дори в по-широк температурен диапазон.
За характеризиране на ориентационния ред в течните кристали обикновено се въвеждат два параметъра: директор и ордер за степен, наричан още параметър на поръчката. Директорът е единичен вектор I, чиято посока съвпада с посоката на средната ориентация на дългите оси на молекулите. В нематичните течни кристали директорът съвпада с посоката на оптичната ос. Вектор I феноменологично характеризира далечния ред в подреждането на молекулите. Той само определя посоката на молекулярната ориентация, но не предоставя никаква информация за това колко перфектно е подреждането на мезофазата. Мярката за ориентационен ред на дълги разстояния е параметър на поръчка S,дефиниран както следва: S=1/2(3 ² θ -1) (*), където θ – ъгълът между оста на отделна молекула и директора на течния кристал. Осредняването в (*) се извършва за целия ансамбъл от молекули. Стойността S=1 съответства на пълен ориентационен ред, т.е. идеален течен кристал, а S=0 означава пълен ориентационен ред и съответства на нематик, който се е трансформирал в изотропна течност.
Холестерични течни кристалиполучават името си от холестерола, защото в повечето случаи те са холестеролни естери. В същото време, в допълнение към холестеролните естери, редица други вещества също образуват холестеричната мезофаза. Молекулите на всички съединения, които образуват холестерик, съдържат асиметричен въглероден атом, свързан с четири ковалентни връзки с различни атоми или групи от атоми. Такива молекули не могат да се комбинират със себе си чрез проста суперпозиция, точно както лявата и дясната ръка. Те се наричат хираленмолекули (от староеврейския „наследник” - ръка).
Състоящи се от хирални молекули, холестеричните течни кристали са подобни по структура на нематичните, но имат фундаментална разлика. Това се крие във факта, че за разлика от нематика, равномерната ориентация на молекулите в холестерика е енергийно неизгодна. Хиралните холестерични молекули могат да бъдат разположени успоредно една на друга в тънък монослой, но в съседния слой молекулите трябва да бъдат завъртяни на определен ъгъл. Енергията на такова състояние ще бъде по-малка, отколкото при еднаква ориентация. Във всеки следващ слой директор I, лежащ в равнината на слоя, отново се завърта на малък ъгъл. По този начин в холестеричния течен кристал се създава спирално подреждане на молекулите (фиг. 7.20). Тези спирали могат да бъдат както леви, така и десни. Ъгълът α между векторите I на съседните слоеве обикновено е стотни от пълен оборот, т.е. α≈1®. В този случай стъпката на холестеричната спирала Ре няколко хиляди ангстрьома и е сравнима с дължината на вълната на светлината във видимата част на спектъра. Нематичните течни кристали могат да се разглеждат като специален случай на холестерични течни кристали с безкрайно голяма спирална стъпка (P→∞). Спиралното подреждане на молекулите може да бъде разрушено от електрическо или магнитно поле, приложено перпендикулярно на оста на спиралата.
Смектичните течни кристали са по-подредени от нематичните и холестеричните. Те са като двуизмерни кристали. В допълнение към ориентационното подреждане на молекулите, подобно на подреждането в нематиците, има частично подреждане на центровете на масата на молекулите. В този случай директорът на всеки слой вече не лежи в равнината на слоя, както при холестериците, а образува определен ъгъл с него.
В зависимост от естеството на подреждането на молекулите в слоевете смектичните течни кристали се разделят на две групи: смектика с неструктурниИ смектици със структурни слоеве.
IN смектични течни кристали с неструктурни слоевецентровете на масата на молекулите в слоевете са разположени хаотично, както в течност. Молекулите могат да се движат доста свободно по протежение на слоя, но центровете им на маса са в една и съща равнина. Тези равнини, наречени смектични, са разположени на еднакво разстояние една от друга, приблизително равно на дължината на молекулата. На фиг. Фигура 7.21а показва разположението на молекулите в такъв смектик. За смектичния течен кристал, показан на фигурата, директорът I и нормалата n към равнината съвпадат по посока. С други думи, дългите оси на молекулите са перпендикулярни на смектичните слоеве. Такива течни кристали се наричат смектици А. На фиг. Фигура 7.21b показва смектик с неструктурни слоеве, в които директорът не е насочен по нормалата към слоя, а образува определен ъгъл с него.Течните кристали с това разположение на молекулите се наричат смектики С. В редица смектични течни кристали има по-сложно подреждане, отколкото в смектични A и C. Пример е smectic F, подробностите за подреждането в които все още не са напълно проучени.
IN смектици със структурни слоевение вече се занимаваме с триизмерно статистическо подреждане. Тук центровете на масата на молекулите също лежат в смектичните слоеве, но образуват двумерна решетка. Въпреки това, за разлика от кристалните вещества, слоевете могат да се плъзгат свободно един спрямо друг (както при други смектици!). Поради това свободно плъзгане на слоевете, всички смектици имат усещане за сапун на допир. Оттук и името им (гръцката дума "смегма" означава сапун).В редица смектици има подреждане на центровете на масата на молекулите, както при смектиците В, но ъгълът между директора I и нормалата n към слоеве не е нула. В този случай се образува псевдохексагонално моноклинно подреждане. Такива смектики се наричат смектики H. Има и смектики D, които са близки до кубична структура с центрирана решетка. Сред новосинтезираните течни кристали има такива, които не могат да бъдат класифицирани като нематици, холестерици и смектици. Те обикновено се наричат екзотични мезофази. Те включват например така наречените дискообразни течни кристали или дискотики, които се изучават интензивно.
1.3. Поляризационната микроскопия е първият метод за изследване на течни кристали, т.е. от картината, наблюдавана от изследовател в поляризационен микроскоп от кръстосани поляризатори, може да се прецени какъв вид мезофаза, какъв тип течнокристална фаза се образува. Това е характерната картина за нематичната фаза, чиито молекули образуват само ориентационен ред. Ето как изглежда смектичната фаза. За да ви дам представа за мащаба на всичко това, тоест той е много по-голям от молекулярния мащаб: ширината на картината е стотици микрони, тоест това е макроскопична картина, много по-голяма от дължината на вълната на видимата светлина. И чрез анализиране на такива снимки може да се прецени какъв вид структура има. Естествено, има по-точни методи за определяне на структурата и някои структурни особености на тези мезофази - методи като рентгенов дифракционен анализ, различни видове спектроскопия - това ни позволява да разберем как и защо молекулите са опаковани по един или друг начин .
Холестеричната мезофаза изглежда така - една от типичните картини.
При промяна на температурата се наблюдава промяна в пречупването, така че цветовете се променят, приближаваме прехода - и се наблюдава преход към изотропна стопилка, тоест всичко е потъмняло, вижда се тъмна картина в кръстосаните поляризатори.
Полимери с течни кристали.
Течнокристалните (LC) полимери са високомолекулни съединения, способни да преминават в LC състояние при определени условия (температура, налягане, концентрация в разтвора). LC състоянието на полимерите е равновесно фазово състояние, заемащо междинно положение между аморфното и кристалното състояние, поради което често се нарича още мезоморфно или мезофаза (от гръцки mesos - междинен). Характерни особености на мезофазата са наличието на ориентационен ред в подреждането на макромолекулите (или техните фрагменти) и анизотропията на физичните свойства при липса на външни влияния. Много е важно да се подчертае, че LC фазата се образува спонтанно, докато ориентационният ред в полимера може лесно да бъде индуциран чрез просто разтягане на пробата поради високата анизодиаметрия (асиметрия) на макромолекулите.
Ако полимерите преминават в състояние LC или мезофаза в резултат на термично действие (нагряване или охлаждане), те се наричат термотропни LC полимери; ако LC фазата се образува, когато полимерите се разтварят в определени разтворители, те се наричат лиотропни LC полимери.
Първите учени, които предсказаха възможността полимерите да образуват мезофаза, бяха V.A. Каргин и П. Флори.
Лекция 4/1
Предмет. Агрегатни състояния на полимерите. Кристални, аморфни и течнокристални полимери.
Разграничете съвкупност и фазасъстояния на полимерите.
Полимерите съществуват в две агрегатни състояния: твърдИ течностТретото агрегатно състояние - газообразното - не съществува за полимерите поради много високите сили на междумолекулно взаимодействие, причинени от големите размери на макромолекулите.
IN твърдВ агрегатното си състояние полимерите се характеризират с висока плътност на опаковане на молекулите, наличие на определена форма и обем в телата и способността да ги запазват. Твърдото състояние се реализира, ако енергията на междумолекулното взаимодействие надвишава енергията на топлинното движение на молекулите.
IN течноств състояние на агрегиране се поддържа висока плътност на опаковане на макромолекулите. Характеризира се с определен обем, определена форма. Въпреки това, в това състояние полимерът има малка устойчивост за поддържане на тази форма. Ето защо
полимерът приема формата на съда.
Те съществуват в две агрегатни състояния термопластични полимери, които могат да се стопят. Те включват много линейни и разклонени полимери - полиетилен, полипропилен, полиамиди, политетрафлуоретилен и др.
Мрежа полимери, както и линейни и разклонени полимери, които придобиват мрежеста структура при нагряване, съществуват само в в твърдо състояние.
В зависимост от степента на подреденост в подреждането на макромолекулите, полимерите могат да бъдат намерени в три фазови състояния: кристален, течен кристалИ аморфен.
Кристаленсъстоянието се характеризира далечен ред в подреждането на частиците , т.е. от порядъка на стотици и хиляди пъти по-голям от размера на самите частици.
Течен кристалсъстояние, междинно между кристално и аморфно.
Аморфенсе характеризира фазовото състояние затворете поръчката в позиция частици , т.е. редът, наблюдаван на разстояния, сравними с размерите на частиците.
Кристално състояние на полимерите
Кристалното състояние на полимерите се характеризира с факта, че единиците на макромолекулите образуват структури с триизмерен далечен ред. Размерът на тези структури не надвишава няколко микрона; те обикновено се наричат кристалити . За разлика от нискомолекулните вещества, полимерите никога не кристализират напълно; наред с кристалитите в тях се запазват аморфни области (с нарушена структура). Следователно полимерите в кристално състояние се наричат аморфно-кристален или частично кристален. Обемното съдържание на кристални области в пробата се нарича степен на кристалност . Той се определя количествено чрез различни структурно-чувствителни методи. Най-често срещаните от тях са: измерване на плътност, рентгенов дифракционен метод, ИЧ спектроскопия, ЯМР. За повечето полимери степента на кристалност варира от 20 до 80%, в зависимост от структурата на макромолекулите и условията на кристализация.
Определя се морфологията на кристалитите и вида на тяхната агрегация метод на кристализация . Така, по време на бавна кристализация от разредени разтворив нискомолекулни разтворители (концентрация ~ 0,01%), кристалитите са единични, правилно фасетирани плочи ( ламели ), които се образуват чрез нагъване на макромолекулата „върху себе си“ (фиг. 1).
Фиг. 1. Схема на структурата на ламеларен кристал от нагънати макромолекули
сварка-информация/com
Дебелината на ламелите обикновено е 10-15 nm и се определя от дължината на гънката, като дължината и ширината им могат да варират в широки граници. В този случай оста на макромолекулата се оказва перпендикулярна на равнината на плочата и върху повърхността на плочата се образуват бримки (фиг. 2). Поради наличието на региони, в които са събрани бримки от сгъваеми макромолекули, няма пълен кристален ред. Степента на кристалност дори за отделни полимерни монокристали е винаги по-малка от 100% (за полиетилен, например, 80-90%). Морфологията на полимерните монокристали отразява симетрията на техните кристални решетки, а дебелината силно зависи от температурата на кристализация и може да варира няколко пъти.
Ориз. 2. Гънки на макромолекули в полиетиленови кристалити сварка-информация/com
Изродената форма на ламеларните кристали са фибриларни кристали (фибрили), които се характеризират с голямо отношение на дължината към дебелината (фиг. 3). Те се развиват при условия, които благоприятстват преференциалния растеж на едно от лицата, например висока скорост на изпаряване на разтворителя. Дебелината на фибрилите обикновено е 10 -20 nm, а дължината достига много микрони.
Ориз. 3. b - микрофибрил; в - фибрил. Сканираща електронна дифракционна картина.. www. ntmdt. ru
Кристалните плочи представляват най-простата форма на кристализация от разтвор. Увеличаването на скоростта на кристализация или увеличаването на концентрацията на разтвора води до появата на по-сложни структури: спирални образувания на „близнаци“ (две плочи, свързани по кристалографска равнина), както и различни дендритни форми, включително голям брой плочи, спираловидни тераси, „близнаци” и др. С по-нататъшно повишаване на концентрацията, сферолити . Сферолити също се образуват по време на кристализация на полимери от стопилка. Това е най-честата и често срещана форма на кристални образувания в полимерите.
IN сферолити ламелите се отклоняват радиално от общи центрове (фиг. 4). Изследванията с електронна микроскопия показват, че фибрилите на сферолитите са съставени от много ламели, подредени една върху друга и усукани около радиуса на сферолита. Наблюдават се сферолити с диаметър от няколко микрона до няколко см. Триизмерни сферолити се появяват в блокови проби, а двуизмерни, плоски - в тънки филми. Предполага се, че в кристалитите на блоковите проби част от макромолекулата има нагъната конформация, а другата част преминава от кристалит към кристалит, свързвайки ги един с друг. Тези "преминаващи" вериги и области на сгъване образуват аморфната част на сферолитите.
Ориз. 4. Пръстенови сферолити от полиетилен себакат
Същият полимер, в зависимост от условията на кристализация, може да се образува сферолити различни видове ( радиална, пръстеновидна ) (фиг. 5). При ниски степени на преохлаждане обикновено се образуват пръстеновидни сферулити, при високи степени - радиални сферулити. Например полипропиленовите сферолити имат различни оптични свойства и дори различни точки на топене в зависимост от кристалната модификация, в която полимерът кристализира. От своя страна полипропиленовите сферолити с моноклинна клетка могат да бъдат положителни или отрицателни. Сферулитът се нарича положителен, ако неговото двойно пречупване е по-голямо от нула. Ако е по-малко от нула, тогава сферулитът е отрицателен.
Фиг.5. Видове сферолити: а - радиален, б - пръстен.
Кристализацията на стопилката при температура, близка до точката на топене (преохлаждане не повече от 1˚C) протича много бавно и води до образуването на най-съвършените кристални структури, изградени от изправени вериги. Механизмът на кристализация с изправени вериги рядко се реализира на практика. За да направите това, едновременно с охлаждането на стопилката е необходимо да се прилагат големи напрежения.
Повечето полимери кристализират под формата на сферолити. Въпреки това, в някои случаи, само групи от ламеларни кристали се намират в блок полимер. Намерени са и междинни структурни образувания между монокристалите и сферолитите. Често тези структури са фасетирани и с големи размери - до десетки микрони. Все още не е изяснено дали има определен брой междинни структури или различни морфологични форми непрекъснато се трансформират една в друга.
Аморфно състояние на полимерите
Аморфенполимерите нямат кристална структура Това състояние на полимерите се характеризира с:
· липса на триизмерен ред на дълги разстояния в подреждането на макромолекулите,
· близък ред в подреждането на единици или сегменти от макромолекули, бързо изчезващи, когато се отдалечават един от друг.
Изглежда, че полимерните молекули образуват „рояци“, чийто живот е много дълъг поради огромния вискозитет на полимерите и големия размер на молекулите. Следователно в някои случаи такива рояци остават практически непроменени. IN аморфен също са в добро състояние полимерни разтвори И полимерни желета .
Аморфните полимери са еднофазни и са изградени от верижни молекули, събрани в пакети. Пакетите са структурни елементи и могат да се движат спрямо съседни елементи. Някои аморфни полимери могат да бъдат конструирани от глобулаГлобулите се състоят от една или много макромолекули, навити в сферични частици (фиг. 6). Възможността за сгъване на макромолекулите в топка се определя от тяхната висока гъвкавост и преобладаването на силите на вътрешномолекулно взаимодействие над силите на междумолекулно взаимодействие.
Фиг.6. Глобуларната форма на хемоглобина, съдържаща четири молекули от железния комплекс
www. krugosvet. ru
Аморфните полимери, в зависимост от температурата, могат да бъдат в три състояния, които се различават по естеството на термичното движение: стъкловиден, силно еластиченИ вискозен. Етапът, в който се намира полимерът, се определя от промяната в неговата структура и силите на сцепление между макромолекулите на линейните полимери.
При ниски температури аморфни полимери се намират в стъкленсъстояние. Молекулните сегменти нямат подвижност и полимерът се държи като обикновено твърдо вещество в аморфно състояние. В това състояние материалът чуплив . Преходът от силно еластично състояние към стъкловидно състояние с намаляване на температурата се нарича стъклен преход , а температурата на такъв преход е температура на встъкляване .
Силно еластичнанастъпва състояние, характеризиращо се със способността на полимера лесно да се разтяга и свива при доста високи температури когато енергията на топлинното движение стане достатъчна, за да предизвика движение на сегменти от молекулата, но все още не е достатъчна, за да задвижи молекулата като цяло. Във високоеластично състояние полимерите при относително малки механични напрежения имат много голяма еластична деформация . Например гумите могат да се разтягат почти 10 пъти.
IN вискозенсъстояние, не само сегменти, но и цялата макромолекула може да се движи. Полимерите придобиват способността да текат, но за разлика от обикновените течности, техният поток винаги е придружен от развитие на силно еластична деформация. Материалът в това състояние, под въздействието на малки сили, експонира необратим пластична деформация , които могат да се използват за технологичната му обработка.
С линейна структура на макромолекулите, полимерите в аморфно състояние са еластично-вискозни тела, а когато се образува силна пространствена структура, те са вискоеластични тела.
Всяко външно влияние, което засяга подвижността на частиците в аморфните тела (промени в температурата, налягането), влияе върху физичните свойства (диелектрични характеристики на материала, газопропускливост).
Течнокристално състояние на полимерите
Течните кристали са необичайни вещества. Те съчетават свойствата, присъщи на течности и твърди вещества, както е отразено в името. От течностите те взеха течливост, тоест способността да приемат формата на съда, в който се изсипват. От твърди кристални тела - анизотропия Имоти . Последното се обяснява със структурата на течните кристали - молекулите в тях са подредени не хаотично, а подредено. Въпреки това, не толкова строги, колкото при твърдите кристали
Не всички съединения преминават в течнокристално състояние, а само тези, чиито молекули имат значително анизометрия (форма на пръчици или дискове). В зависимост от опаковката на молекулите те се разграничават три типа структуритечни кристали - смектичен , нематичен И холестеричен .
смектика,може би най-близо до обикновените кристали. Молекулите в тях са опаковани на слоеве, а центровете им на маса са фиксирани (фиг. 7). IN нематициНапротив, центровете на масата на молекулите са разположени хаотично, но осите на техните молекули, обикновено пръчковидни, са успоредни една на друга (фиг. 8). В този случай се казва, че се характеризират с ориентационен ред.
Най-сложната структура на третия тип течни кристали е холестеричен.За образуването на холестерици са необходими така наречените хирални молекули, тоест несъвместими с техния огледален образ.
Ориз. 7. Схематично представяне на течен кристал в смектична фаза
http://dic. академичен. ru/
https://pandia.ru/text/80/219/images/image009_79.jpg" alt="Фиг. 1. Картината показва завъртане на 180° на директора в холестеричната фаза. Съответното разстояние е полуцикълът, p /2." width="178" height="146">!}
Фиг.9. Схематична илюстрация на холестеричен течен кристал
dic. академичен. ru
Други функционални групи могат да бъдат въведени в такава полимерна верига, напр. фотохромен контролирани от светлина групи, или електроактивен групи, ориентирани под въздействието на електрическо поле.
Самите течни кристали са вискозни течности само в тесен температурен диапазон. Следователно те имат своите специални свойства само в този температурен диапазон. Течнокристалните полимери, за разлика от течните кристали, запазват структурата и свойствата на течнокристалната фаза при охлаждане. Това означава, че е възможно да се фиксира чувствителна течнокристална структура в твърдо тяло, без да се губят, например, неговите уникални оптични свойства.
Холестериците лесно реагират на температурата. Някои променят цвета си много бързо с много малка промяна на температурата - можете да ги използвате, за да създадете уникални термовизионни камери , или температурни индикатори. Например, чрез облъчване на повърхността на такъв материал с лазер, може да се изследва разпределението на интензитета на неговия лъч. Покритията, направени от холестерични полимери, могат да се използват за тестване на самолети в аеродинамичен тунел, тъй като разпределението на температурата ясно ще покаже на кои места има повече турбуленция и на кои има ламинарен въздушен поток около самолета.
Един от най-интересните примери за използването на полимерни холестерици е препаратът филми с контролирана светлина . Ако в полимерна верига се въведе мономер с фотохромна група, чиято форма се променя при излагане на светлина с определена дължина на вълната, тогава стъпката на спиралата в структурата на холестерика може да се промени. С други думи, като облъчвате материал със светлина, можете да промените цвета му. Това свойство на получения материал може да се използва за записване и съхраняване на информация за цвета, в холография И технология на дисплея .
Стъпката на спиралата обаче може да се променя не само от действието на светлината и температурните промени (както в термовизионните камери), но и от влиянието на електрически и магнитни полета. За да направите това, е необходимо да се въведат електроактивни или магнитно активни групи. Излагането на електрическо или магнитно поле води до ориентация на течнокристалните молекули и до изкривяване, а след това и до пълно размотаване на холестеричната спирала.
Изследването на течнокристалните полимери, които са много по-млади от нискомолекулните течни кристали, ще разкрие още много неизвестни аспекти на тяхното физикохимично поведение.
