Nauka i technika
Natura i zastosowanie
związków ciekłokrystalicznych
z
w
i
Ä…
z
k
ó
w
c
i
e
k
Å‚
o
k
r
y
s
t
a
l
i
c
z
n
y
c
h
Przez wiele lat związki ciekłokrystaliczne traktowano jako swoistą
ciekawostkę fizyczną. Dopiero w latach siedemdziesiątych ubiegłego
stulecia nastąpił burzliwy rozwój badań nad tymi substancjami
chemicznymi, związany z ich różnorodnymi zastosowaniami. Obecnie
chemia związków ciekłokrystalicznych stanowi odrębną gałąz
nauki.
KATARZYNA DOBROSZ-TEPEREK, BEATA DASIEWICZ
yniki badaÅ„ zsyntetyzowanych peraturze 178,5°C nastÄ™powaÅ‚o przejÅ›cie
związków ciekłokrystalicznych, w przezroczystą ciecz izotropową. W rok
Wzarówno ciekłych kryształów póz
niej zjawiskiem tym zainteresował się
(LC), jak i polimerów ciekłokrystalicznych niemiecki fizyk Otto Lehmann, który uznał
(PLC) wskazują na szybki rozwój tej dzie- stan mętnej cieczy za odrębny stan skupie-
dziny nauki w ostatnim trzydziestoleciu. nia materii, któremu nadał nazwę ciekłego
Jednakże człowiek nie był pierwszą istotą, kryształu (tzw. termotropowego  ang. Ter-
która otrzymała związki tego typu. W 1989 motropic Liquid Crystal) [3]. Lehmann wy-
roku chińscy naukowcy z uniwersytetu krył również, że faza ciekłokrystaliczna
w Szanghaju Guiyang Li i Tongyin Yu od- może powstawać przy rozpuszczaniu, np.
kryli, że fibroina (substancja białkowa wy- oleinianu potasu w mieszaninie wody i al-
dzielana przez gąsienice jedwabnika mor- koholu (tzw. liotropowy ciekły kryształ
wowego, będąca podstawowym składni-  ang. Liotropic Liquid Crystal). Upłynęło
kiem jedwabiu naturalnego) jest zwiÄ…zkiem kilkadziesiÄ…t lat, zanim w 1923 roku nie-
ciekÅ‚okrystalicznym [1]. OkazaÅ‚o siÄ™ zatem, miecki chemik Daniel Vorländer zdaÅ‚ so-
że jedwabniki wytwarzały związki ciekło- bie sprawę z możliwości istnienia także po-
krystaliczne przed pojawieniem się czło- limerów ciekłokrystalicznych. Zadał sobie
wieka. Dalsze badania naukowców z całego pytanie:  Co stanie się z cząsteczkami, gdy
świata pokazały, że w naturze związkami będą stawać się coraz dłuższe, czy stan cie-
ciekłokrystalicznymi są również kwas DNA kłokrystaliczny wtedy zaniknie? Z moich
oraz wirus mozaiki tytoniowej. doświadczeń wynika, że własności mezofa-
Pierwsze naukowe doniesienie na temat zowe (przyp. mezos  z greckiego pośredni)
związków ciekłokrystalicznych opubliko- nie są ograniczone długością łańcucha,
wał w 1888 roku austriacki botanik Frie- chyba że substancja nie może topić się bez
drich Reinitzer, zajmujący się badaniami rozkładu i nie może być zaobserwowana
benzoesanu cholesterylu [2]. Stwierdził, że pod mikroskopem [4]. Od tego czasu co-
związek ten, topiąc się w temperatu- raz częściej pojawiają się prace dotyczące
rze 145,5°C, poczÄ…tkowo tworzyÅ‚ nie kla- zwiÄ…zków ciekÅ‚okrystalicznych. Oprócz ce-
rowną, ale mętną ciecz, która miała bardzo lów poznawczych, zainteresowanie tego ty-
dużą lepkość i wykazywała barwne efekty. pu związkami wiąże się z możliwościami
Dopiero przy dalszym ogrzewaniu, w tem- ich wykorzystania w praktyce [5,6].
Chemia w Szkole
6
Nauka i technika
Ogólna charakterystyka Smektyki nazwę swą zawdzięczają pierw-
związków ciekłokrystalicznych szej poznanej grupie związków (smektos
Faza ciekłokrystaliczna występuje  z greckiego mydłopodobne), które były
w związkach o odpowiedniej budowie gru- mydłami (palmitynian sodu i potasu). Są one
py mezogenicznej, mającej kształt wydłu- grupą ciekłych kryształów o największym
żonego pręta (częściej) lub kształt dysku stopniu uporządkowania. Charakteryzują się
(Rys. 1). Obserwowane uporządkowanie warstwowym, jak również równoległym uło-
dalekiego zasięgu (jak w krystalicznych cia- żeniem cząsteczek. Sprawia to, że ciekłe
łach stałych, a nie występujące w cieczy izo- kryształy tego typu mają sztywną strukturę
tropowej) powstaje dzięki istnieniu oddzia- i wykazują dużą lepkość.
ływań międzycząsteczkowych, m.in. van Nematyki posiadają strukturę przypomi-
der Waalsa i wiązań wodorowych. nającą obraz nitek (nema  z greckiego:
nić). Poza równoległością cząsteczek nie wy-
stępuje żadne inne uporządkowanie. Mole-
kuły mogą się przemieszczać we wszystkich
trzech kierunkach i swobodnie obracać
wzdłuż swoich długich osi. Nematyki są sze-
roko wykorzystywane w budowie wyświetla-
czy ciekłokrystalicznych.
Cholesteryki odznaczają się tym, że czą-
steczki leżą w warstwach ustawionych rów-
nolegle do siebie, skręconych względem
Rys. 1. Budowa grupy mezogenicznej: a) prętopodobna,
siebie o niewielki kÄ…t. PierwszÄ… nowood-
b) dyskopodobna
krytą grupą były pochodne cholesterolu,
od których pochodzi ich nazwa.
Według francuskiego chemika Georgesa
Friedela [7] związki ciekłokrystaliczne, w za- Zastosowania
leżności od stopnia uporządkowania cząste- związków ciekłokrystalicznych
czek, można podzielić na trzy grupy: smek- W pierwszej połowie lat siedemdziesią-
tyczne, nematyczne i cholesteryczne (Rys. 2). tych ubiegłego stulecia rozpoczęto produk-
a)
c)
b)
Rys. 2. Grupy związków ciekłokrystalicznych: a) smektyki, b) nematyki, c) cholesteryki
5/2006
7
Nauka i technika
cję, początkowo małoseryjną, wskaz
ników poczęciem w celu ustalenia się równowagi
ciekłokrystalicznych do aparatury pomia- cieplnej, odtłuszczony (np. za pomocą eta-
rowej, zegarków, kalkulatorów, jak rów- nolu) i ewentualnie pozbawiony owłosienia.
nież pojedynczych egzemplarzy do tablic Po przygotowaniu pacjenta do badania,
rozdzielczych samochodów, sygnalizacji przykłada się do skóry folię termograficzną
ulicznej i komputerów. I tak rozpoczęła się i rejestruje termogram. I tak, np. w przypad-
nowa era technologiczna  technologia cie- ku nowotworów piersi u kobiet wzrost tem-
kłokrystaliczna. peratury skóry o 0,5 K jest często oznaką wy-
Poniżej omawiamy najważniejsze gałęzie stępowania nowotworu niezłośliwego, pod-
przemysłu i nauki, w których obecnie wyko- czas gdy wzrost o 2 K sugeruje występowanie
rzystuje się związki ciekłokrystaliczne [8 13]. nowotworu złośliwego. Podstawowymi
związkami ciekłokrystalicznymi stosowany-
Medycyna mi dla potrzeb medycyny sÄ… mieszaniny ne-
 termografia ciekłokrystaliczna matyczne (przykład  Rys. 3).
Zastosowanie związków ciekłokrysta-
licznych w medycynie polega na zobrazo- Elektrooptyka
waniu pola temperatury na powierzchni " przetworniki sygnałów w optyce nie-
skóry pacjenta. Umożliwia to wykrywanie liniowej
ewentualnych procesów patologicznych, Działanie takich przetworników pole-
które z reguły powodują zaburzenia roz- ga na tym, że na związek ciekłokrysta-
kładu temperatury. Obecnie wiele opraco- liczny pada wiązka światła laserowego.
wanych metod stosuje się do lokalizacji W ten sposób cząsteczki przyjmują
i diagnostyki nowotworów złośliwych i nie- strukturę podobną do książek ułożo-
złośliwych oraz ognisk ropno-zapalnych. nych na półce (ang. bookshelf geometry).
Badania termograficzne należy przepro- Ułożenie takie charakteryzuje się tym,
wadzać w pomieszczeniu o temperaturze po- że warstwy są prostopadłe do po-
kojowej, bez przeciągów, w warunkach moż- wierzchni nośnych przetwornika, nato-
liwie najbardziej zbliżonych do normalnej miast cząsteczki w każdej warstwie są
aktywnoÅ›ci organizmu. Obszar skóry, który pochylone o pewien kÄ…t (20 50°). Przy-
ma być poddany badaniom, powinien być kład związku ciekłokrystalicznego stoso-
odsłonięty na około 10 minut przed ich roz-
Rys. 3. Mieszanina ciekłych kryształów stosowana w medycynie
Rys. 4. Polimer ciekłokrystaliczny stosowany w optyce nieliniowej
Chemia w Szkole
8
Nauka i technika
wanego w optyce nieliniowej został po- zę stacjonarną w postaci  nasyconej gąb-
dany na rysunku 4. ki . Stosując tę metodę można bardzo do-
" płaskie monitory ciekłokrystaliczne kładnie rozdzielić izomery węglowo-
Ekrany ciekłokrystaliczne stały się po- dorów, np. benzopirenu, których cząstecz-
pularnym elementem wyposażenia na- ki mają różne przekroje poprzeczne i le-
szych mieszkań. Zajmują mało miejsca, piej albo gorzej pasują do matrycy ciekło-
w dodatku majÄ… bardzo przyjemny dla krystalicznej.
oka, stabilny i kontrastowy obraz. Ważny
jest również aspekt zdrowotny  w prze- Wykrywanie skażeń powietrza
ciwieństwie do monitorów tradycyjnych, Jeżeli warstwa ciekłokrystaliczna jest
monitory ciekłokrystaliczne praktycznie wystawiona na działanie domieszek (zanie-
nie emitują szkodliwego promieniowa- czyszczeń), np. par związków organicznych,
nia elektromagnetycznego. Zaawanso- to pewna ich ilość dyfunduje do warstwy,
wanie badań w technologii ciekłokrysta- co prowadzi do drastycznych zmian we
licznej i osiągnięte rezultaty wskazują, że własnościach termooptycznych związku
w XXI wieku pojawia się nowa technolo- ciekłokrystalicznego. Powyższe rozumowa-
gia, nazwana LEP s (ang. Light Emitting nie było podstawą podjęcia próby wykorzy-
Polymers). Technologia produkcji pła- stania związków ciekłokrystalicznych
skich wyświetlaczy, opatentowana całko- do wykrywania zanieczyszczeń atmosfery,
wicie przez brytyjską firmę Cambridge np. środków trujących (m.in. tabunu, sari-
Display Technology, zwiÄ…zanÄ… z Cam- nu, somanu, DFP, iperytu S, dwufosgenu,
bridge University, wykorzystuje odpo- dwusiarczku węgla). Przykładem związków
wiednio skomponowane polimery cie- ciekłokrystalicznych stosowanych do wy-
kłokrystaliczne do budowy kolorowego krywania par toksycznych substancji orga-
ekranu bez podświetlania, wyglądającego nicznych jest mieszanina estrów choleste-
jak pokryta folią kartka papieru (ang. pa- rolu: oleinowęglanu, pelargonianu i chlor-
per view). Ocenia się, że po wdrożeniu ku cholesterylu (Rys. 5).
do seryjnej produkcji ekrany polimerowe
mogą być nawet do 60% tańsze od obec- Defektoskopia ciekłokrystaliczna
nie produkowanych. Związki ciekłokrystaliczne znalazły za-
stosowanie w nieniszczÄ…cych badaniach
Chromatografia gazowa obiektów nieprzezroczystych, czyli defek-
Jest to metoda analityczna, która pole- toskopii. Metoda ta umożliwia wykrywanie
ga na przekształceniu badanej substancji zatorów i przewężeń w przewodach wy-
w parę i przepuszczeniu jej przez kolumnę mienników cieplnych, przez określenie roz-
wypełnioną fazą stacjonarną. W tym przy- kładu temperatur na powierzchni przewo-
padku właściwy materiał, z którego wyko- du podczas cyklicznego obiegu cieczy.
nuje się membranę (fazę stacjonarną) na- Defektoskopia ciekłokrystaliczna jest
leży zmieszać z ciekłokrystalicznym związ- w szczególności użyteczna w lokalizacji za-
kiem (np. polimerem zawierającym łań- torów z substancji organicznych, trudnych
cuch polisiloksanowy) w odpowiednim do wykrycia na drodze radiologicznej.
rozpuszczalniku. Następnie otrzymaną
mieszaninÄ™ ogrzewa siÄ™ pod zmniejszo- Dydaktyka chemii fizycznej
nym ciśnieniem w celu przeprowadzenia Związki ciekłokrystaliczne mogą być
związku ciekłokrystalicznego w stan me- z powodzeniem zastosowane do zobrazo-
zofazy. Pod wpływem przyłożonego pola wania wielu zjawisk z nauki o cieple. Po-
elektrycznego następuje orientacja cząste- zwalają uczniom [12] na lepsze zrozumie-
czek wzdłuż określonego kierunku, tzw. nie tego działu nauki oraz studentom [13]
direktora. W ten sposób otrzymuje się fa- na szybsze przyswojenie trudnych do wy-
5/2006
9
Nauka i technika
Rys. 5. Mieszanina ciekłych kryształów stosowana w wykrywaniu skażeń powietrza: a) oleinowęglan cholesterylu,
b) pelargonian cholesterylu, c) chlorek cholesterylu
obrażenia zagadnień, takich jak: dyfuzyj- zwykle kilka milimetrów grubości. Zgodnie
ność cieplna materiałów (np. metali, two- z życzeniem klienta, tafle mogą być zabar-
rzyw sztucznych), adiabatyczne rozsze- wione na czerwono, niebiesko, biało lub żół-
rzanie gumy, moc promieniowania z
ródeł to (Rys. 6) [14].
punktowych (np. żarówek, suszarek).
Ten krótki przegląd nie wyczerpuje na-
L ITERATURA
wet w małym stopniu bogactwa zastosowań
[1] G. Li, T. Yu: Mikromol. Chem. Rapid Commun., 10 (1989) 387.
[2] F. Reinitzer: Monatsh. Chem., 9 (1888) 421.
związków ciekłokrystalicznych. Obecnie
[3] O. Lehmann: Z. Phys. Chem., 4 (1889) 462.
znamy ponad 20 tysięcy tego typu związ-
[4] D. Vorländer: Z. Phys. Chem., 105 (1923) 211.
ków, a każdy dzień przynosi odkrycia no- [5] K. Dobrosz-Teperek: Synteza i badanie ciekłokrystalicznych poli-
merów grzebieniowych zawierających cholesterolową grupę mezoge-
wych nieznanych do tej pory ciekłokrysta-
nicznÄ…, PW, Warszawa 1995.
licznych struktur.
[6] A. Teperek, W. Czajkowski, W. Fabianowski: Patent Application
nr WP/34/94.
[7] G. Friedel: Ann. Physique, 18 (1922) 273.
Z ostatniej chwili&
[8] A. A. Collyer: Liquid Crystal Polymers: From Structures to Appli-
Pewna japońska firma do końca 2006 ro- cations, Elsevier Applied Science, London and New York 1992.
[9] J. Żmija, J. Zieliński, J. Parka, E. Nowinowski-Kruszelnicki: Di-
ku ma zamiar wprowadzić na rynek sterowa-
spleje ciekłokrystaliczne, PWN, Warszawa 1993.
ne elektronicznie żaluzje z wykorzystaniem [10] J. Żmija, S. Kłosowicz, W. Borys: Cholesteryczne ciekłe kryształy
w detekcji promieniowania, WNT, Warszawa 1989.
ciekłych kryształów. Budowa żaluzji w posta-
[11] R. Sobkowski, M. Winter: Świat w płaskim wymiarze,
ci kurtyny nie jest zbyt skomplikowana: miÄ™- http://www.opoka.org.pl/varia/internet/plaskiemonitory.html.
[12] http://www.opticsexcellence.org/SJ_TeamSite/pdfs/manuscrip-
dzy dwie tafle tworzywa sztucznego wkom-
trev2.pdf.
ponowano warstwę ciekłych kryształów
[13] J. L. Fergason:  Experiments with Cholesteric Liquid Crystals,
Am. J. Phys., 38 (1970) 425.
o łącznej grubości od 0,024 do 0,4 mm, pod-
[14] http://www.pcword.pl/news/94037/100.html.
czas gdy stosowane w oknach szyby majÄ…
dr inż. KATARZYNA DOBROSZ-TEPEREK
Nauczyciel akademicki, starszy wykładowca
w Katedrze Chemii Wydziału Technologii Żywności SGGW
w Warszawie. Prowadzi badania nad doskonaleniem
metod dydaktycznych w szkole wyższej.
dr BEATA DASIEWICZ
Nauczyciel akademicki, adiunkt
w Katedrze Chemii Wydziału Technologii Żywności SGGW
w Warszawie. Specjalizuje siÄ™ w analizie
związków organicznych w żywności.
Rys. 6. Elektroniczna kurtyna
Chemia w Szkole
10