В дневник arkady07
Жидкокристаллическое (ЖК) (мезофазное) состояние охватывает практически все отрасли науки и техники. В области, где я работаю – технология химических волокон, реализация этого состояния позволила повысить прочность химических волокон в 3 – 5 раз, до 500 – 700 кгс/мм2. Помимо энтропийного толкования механизма перехода веществ в ЖК-состояние, получившего наибольшее признание, возможно энергетическое объяснение этого явления. Оно основывается на малоизвестном факте обратной кубической зависимости межмолекулярных (вандерваальсовых) сил от расстояния между анизодиаметричными молекулами по сравнению с обратно квадратичной зависимостью для шарообразных молекул……
.
Явление самоорганизации (самоупорядочения) при переходе в промежуточное мезофазное (жидкокристаллическое) состояние универсально, но наиболее сильно оно
выражено у веществ, имеющих анизодиаметричное строение молекул в виде жестких стержней и содержащих в своём составе мезогенные группы, обладающие повышенным межмолекулярным взаимодействием.
На расстояниях от 100 до 500 нм сила межмолекулярного взаимодействия между телами существенно зависят от формы поверхности тел. Если тело имеет форму шара малого диаметра, т.е. обладает большой кривизной поверхности, то сила межмолекулярного взаимодействия между шарами изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, т.е. F = 1/r2. В случае цилиндров (стержнеобразные молекулы) сила зависит от их взаимного расположения. Для цилиндров со скрещенными осями сохраняется обратно пропорциональная квадратичная зависимость. Если цилиндры расположены параллельно, то сила межмолекулярного взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию в третьей степени, т.е. F = 1/r3. Сказанное иллюстрируется схемой на рис.1, заимствованной из книги: Зацепиной Г.Н. «Физические свойства и структура воды», 1998, М., Изд. МГУ, с 54. Индексом а обозначена схема взаимодействия двух сферических поверхностей, сила притяжения между которыми обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Такая же зависимость наблюдается для цилиндров со скрещенными осями, см. схему под индексом b. При параллельном расположении цилиндров, моделирующих анизодиаметричные молекулы, (схема с) притяжение между ними за счёт межмолекулярных сил выражается обратно пропорциональной кубической зависимостью.
Агрегатное состояние вещества зависит от расстояния между молекулами, которое в свою очередь определяется равновесием сил отталкивания и притяжения. Если это равновесие устанавливается на расстоянии равном двум эффективным радиусам молекул 2Ref, т.е. по поверхности их соприкосновения, то из-за наличия выступов и впадин молекулы теряют подвижность. Реализуется твёрдое состояние. В случае, когда равновесие сил отталкивания и притяжения происходит на расстоянии 2Ref + Δr, то в промежуточном слое Δr молекулы, оставаясь связанными силами притяжения (признак твёрдого состояния) приобретают подвижность (признак жидкого состояния). Если молекулы анизодиаметричны, то в связи с более быстрым спадом силы притяжения молекул, которое обратно пропорционально расстоянию в третьей степени, равновесие сил отталкивания и притяжения устанавливается на большем расстоянии, чем 2Ref. Между молекулами образуется зазор. Они одновременно обладают подвижностью и фиксированы относительно друг друга, а благодаря взаимодействию мезогенных групп происходит взаимное притяжение молекул, и создаются условия для самоупорядочения и перехода в жидкокристаллическое состояние.
На рис. 2 приведена кривая зависимости от расстояния силы отталкивания ( 1 ), которая изменяется обратно пропорционально шестой степени расстояния (F = 1/r6) и кривая (2), отражающая обратную квадратичную зависимость сил притяжения для шарообразных молекул. При сближении молекул кривые пересекаются в точке А, лежащей на расстоянии Ref, эти силы уравновешиваются и молекулы теряют подвижность. Вещество переходит в твёрдое состояние. Кривая (3), выражающая кубическое уменьшение сил притяжения, характерное для цилиндроподобных молекул, пересекается с кривой сил отталкивания в точке В. Эта точка лежит на расстоянии Ref + Δr т.е.между молекулами образуется зазор Δr. Таким образом, равновесие сил отталкивания и притяжения при обратно пропорциональной кубической зависимости устанавливается вне молекул, и они могут перемещаться относительно друг друга, но только в пределах образованного зазора. Далее в действие вступают мезогенные группы. Благодаря их взаимодействию стержнеобразные молекулы взаимно притягиваются, образуя упорядоченное жидкокристаллическое состояние. arkady07@rambler.ru




Рис. 1. Зависимость межмолекулярных сил от геометрической формы тел: а – шары,
b – цилиндры со скрещенными осями и с – цилиндры с параллельными осями.
































Рис. 2. Зависимость от расстояния сил отталкивания ( 1, f = 1/r6), сил притяжения между шарообразными молекулами ( 2, f = 1/r2) сил притяжения между цилиндроподобными молекулами (3, f = 1/r3). В точках А и В равновесие сил отталкивания и притяжения.