Жидкокристаллическое состояние

Для кристаллического состояния характерны твердость и ани­зотропность свойств, а для жидкого состояния - текучесть и изо­тропность свойств. Обычно кристаллические вещества при на­гревании до температуры плавления (Т_пл) сразу переходят в одно родную прозрачную жидкость. Однако при плавлении некоторых кристаллических веществ при T_{нач. пл} образуется неоднородная (мутная) жидкость, которая обладает анизотропными свойства­ми. Только при повышении температуры до Т_просв (температуры просветления) эта жидкость становится полностью прозрачной и изотропной. Подобное поведение возможно для веществ, молеку­лы которых имеют сильно вытянутую (стержнеобразную) или дискообразную форму. Такие молекулы характеризуются сильно увеличенными размерами вдоль одной или двух осей соответст­венно и называются анизометрическими. Энергия межмолеку­лярных взаимодействий анизометрических молекул сильно зави­сит от взаимной ориентации соседних молекул.

Среди природных соединений сильно вытянутую форму име­ют молекулы высших жирных кислот, фосфолипидов, гликолипидов, а дискообразную - молекулы стероидов, холестерина и желчных кислот. Для отдельных фрагментов молекул биополи­меров: белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов - также может быть характерна анизометричность. Анизометричность мо­лекул перечисленных природных веществ, обусловленная их формой, усиливается при наличии в их структуре одновременно неполярных и полярных фрагментов. При плавлении веществ, молекулы которых анизометричны, при Т_нач.пл. происходит час­тичное разрушение дальнего порядка в кристаллах, в результате возникает состояние, для которого одновременно свойственны и текучесть, и анизотропность свойств. Текучесть объясняется тем, что в системе, как в обычной жидкости, имеются отдельные час­тицы, мелкие ассоциаты из них и полости между ними, постоянно перемещающиеся и взаимодействующие между собой. Анизотропность свойств обусловлена наличием в системе более крупных ассоциатов, имеющих упорядоченность, близкую к кристалличе­ской, и определенную взаимную ориентацию осей симметрии этих частиц, сохраняемую даже при перемещении их относи­тельно друг друга. Подобная упорядоченность и согласованность в движении таких ассоциатов исчезает только при повышении температуры до Т_просв, когда крупные ассоциаты превращаются в мелкие и вещество переходит в истинно жидкое состояние с изотропными свойствами. Таким образом, в интервале темпера­тур от T_{нач. пл} до T_просв вещества, молекулы которых анизомет­ричны, находятся в состоянии, называемом жидкокристалличе­ским (рис. 3.5).

Состояние вещества, характеризующееся наличием одно­временно свойств и жидкости (текучесть) и кристалла (анизотропность), называется жидкокристаллическим состоянием. С позиции фазового состояния жидкокристаллическое со­стояние является мезофазой (или совокупностью мезофаз), для которой характерна определенная динамическая упорядоченность анизометричных ассоциатов. Жидкокристаллическое состояние

Рис. 3.5. Фазовые переходы и свойства конденсированных агрегат­ных состояний для веществ, молекулы которых анизометричны характеризуется упорядоченностью, промежуточной между кри­сталлом и жидкостью.

Ширина температурного интервала существования жидко­кристаллического состояния T = T _просв - Т_{нач. пл}тем больше, чем сильнее различие в энергиях межмолекулярного взаимодействия у анизометричных молекул или анизометричных молекулярных ассоциатов вдоль их длинной оси и перпендикулярно к ней.

Достижение жидкокристаллического состояния у веществ за счет их плавления называют термотропией. В организме за счет термотропии поддерживается жидкокристаллическое состояние фосфолипидов, гликолипидов, холестерина в клеточ­ных и внутриклеточных мембранах. В зависимости от типа упорядоченности анизометричных ассоциатов в мембранах реа­лизуются разные мезофазы жидкокристаллического состояния, а переход между ними осуществляется при определенной тем­пературе, называемой температурой фазового перехода (обычно второго рода), которую часто неправильно называют температу­рой плавления.

Получение жидкокристаллического состояния путем раство­рения веществ, молекулы которых анизометричны и дифильны, т. е. содержат и гидрофобный (неполярный) и гидрофильный (полярный) фрагменты, называется лиотропией. Следовательно, лиотропное жидкокристаллическое состояние относится не к чистому веществу, а к его коллоидному раствору, т. е. к системе вещество + растворитель коллоидный раствор. В колло­идных растворах таких веществ жидкокристаллическое состоя­ние возникает при концентрациях выше пороговой, когда из этих веществ с участием молекул растворителя образуются подвижные ассоциаты, называемые мицеллами (разд. 27.3). В крупных ми­целлах имеется ближний и частично дальний порядок, они мо­гут иметь анизометричную форму, и тогда в движении мицелл относительно друг друга из-за взаимодействия между ними возможна определенная динамическая упорядоченность в некото­ром температурном интервале. Таким образом, подобные кол­лоидные растворы находятся в жидкокристаллическом состоя­нии, так как обладают всеми характерными признаками этого состояния. Это позволяет считать, что жидкокристаллическое состояние характерно для коллоидных систем, в которых на­блюдается динамическая упорядоченность в движении и распо­ложении их анизометричных мицелл.

Третий путь образования жидкокристаллического состояния в системах, способных находиться в этом состоянии, заключа­ется в индуцировании жидкокристаллического состояния под воздействием электрических, магнитных и акустических полей. За счет индуцирования в жидкокристаллических системах могут происходить полиморфные превращения, т. е. переход одной ме­зофазы в другую, отличающуюся динамической упорядоченно­стью анизотропных ассоциатов (табл. 3.3). Возможно, именно этот путь возникновения или изменения жидкокристаллического состояния в тканях нашего организма лежит в основе эффектив­ности многих физиотерапевтических процедур, используемых в медицинской практике.

Свойства веществ, находящихся в жидкокристаллическом со­стоянии, зависят не только от обычных факторов (состава, струк­туры молекул и характера их взаимодействия), но и от взаимного расположения их ассоциатов относительно друг друга, от согласо­ванности и динамики их движения. Последние факторы, обеспе­чиваемые только за счет слабых (0,5-4 кДж/моль) межмолекуляр­ных взаимодействий между анизометричными ассоциатами, очень чувствительны к изменениям в значении и направлении оказы­ваемого воздействия: изменениям температуры или давления, электрическим, магнитным и акустическим полям, т. е. к про­странственным и временным градиентам соответствующих физи­ческих параметров. Это дает возможность даже при слабом внеш­нем воздействии температуры, давления, электрических, магнит­ных или других полей изменять упорядоченность в расположении и согласованность в движении частиц веществ, находящихся в жидкокристаллическом состоянии, что может вызывать измене­ние других свойств веществ - оптических, электрических, хими­ческих, а также их биологических или физиологических функ­ций. Возможно, именно с этим связана большая чувствительность нашего организма к сквознякам и способность его к "закалива­нию" при процедурах с контрастным температурным режимом.

Высокая лабильность оптических и электрических свойств веществ, находящихся в жидкокристаллическом состоянии, дав­но установлена и уже широко используется на практике. На ос­нове веществ, способных образовывать жидкокристаллическое состояние (жидкие кристаллы) и изменять ориентацию частиц под действием электрического поля, в приборостроении созданы экраны для регистрации различной информации (в часах, измерительных приборах, карманных вычислительных машинах).

Производные холестерина, которые, находясь в жидкокристал­лическом состоянии, изменяют свой цвет в зависимости от тем­пературы, используют при термографическом изучении поверхности тела человека. Этот метод позволяет обнаружить тромбы в венах и артериях и злокачественные опухоли молочных же­лез за счет температурных различий между нормальным и па­тологическим состоянием соответствующего участка тела.

Природные соединения: высшие жирные кислоты, фосфолипиды, гликолипиды, стероиды, холестерин, желчные кислоты, белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, растворенные в во­де или в биологических и физиологических средах, - могут нахо­диться в жидкокристаллическом состоянии. С этим состоянием различных биосубстратов связаны важнейшие функции живого организма: движение, метаболизм, энергетический обмен и другие. Поэтому при описании свойств внутри- и межклеточных жидко­стей, различных мембран и тканей (крови, головного и спинного мозга, мышц, кожи, сухожилий, хрящей) необходимо учитывать, что им могут быть присущи свойства жидкокристаллического со­стояния. Основу жидкокристаллического состояния различных биосубстратов в организме составляет подвижность их анизомет-ричных ассоциатов или отдельных групп и фрагментов в молеку­лах биополимеров. При этом для них возможен большой набор разных жидкокристаллических состояний, т. е. мезофаз, отли­чающихся по упорядоченности и динамичности их компонентов. Часть этих состояний (мезофаз) обеспечивает нормальные физио­логические функции, а другие - вызывают патологию.

Жизнедеятельность высших живых существ, в том числе и человека, связана с постоянным изменением в определенных пределах упорядоченности и динамичности в тканях отдель­ных органов, т. е. с непрерывными фазовыми переходами вто­рого рода, происходящими в данных тканях. Это проявляется в способности изменять температуру в отдельных тканях и вы­зывать в них состояние расслабленности или напряженности как рефлекторно, так и по желанию самого человека. Кроме того, поскольку большинство биосубстратов имеют заряды, то их жидкокристаллические состояния являются причиной воз­никновения электрических и электромагнитных полей в тка­нях, органах и у всего организма в целом. Причем характери­стики этих полей как по величине, так и по направлению могут значительно изменяться во времени из-за специфики жидкокристаллического состояния. Вероятно, именно эта особенность живых организмов позволяет приписывать им особое поле -"биополе", которое в действительности является совокупно­стью тепловых, электрических, электромагнитных и акусти­ческих полей, характеристики которых, включая интенсив­ность, частоту, поляризацию и направление, изменяются во времени. Поэтому при исследовании этих особенностей живых систем необходимо использовать аппаратуру, содержащую ис­точники и приемники поляризованных излучений, преимущественно слабой интенсивности (например, поляризационный ми­кроскоп).

Поскольку для тканей организма характерно жидкокристал­лическое состояние, то эта особенность лежит в основе их чувст­вительности к воздействию электрических, электромагнитных, магнитных и акустических полей, включая колебания обычного звукового диапазона, а также инфра- и ультразвука. Именно жид­кокристаллическое состояние тканей живых организмов позволяет объяснить воздействие на них так называемых экстрасенсов. Эти люди, вероятно, способны вызывать, в большей мере, чем обычные люди, изменения в упорядоченности, согласованности и динамике движения компонентов жидкокристаллического состояния тканей своего организма и тем самым, с помощью совокупности соответ­ствующих полей, индуцировать изменения в жидкокристалличе­ском состоянии тканей другого человека, а следовательно, влиять на их биологические и физиологические функции.

Живые объекты в значительной степени представляют собой сложные жидкокристаллические системы, которые характери­зуются динамической упорядоченностью и чрезвычайно чувствительны к упорядоченности в расположении и движении час­тиц и воздействию различных физических полей как в самих системах, так и вне их. Это позволяет рассматривать живые организмы как приемники, чувствительные к изменениям упоря­доченности движения материи в окружающем мире, и как ис­точники, влияющие на нее. Подобная особенность живых объек­тов может позволить объяснить многие явления живого мира, включая загадочные.