Интервью с руководителем группы «Фотофизики фуллеренсодержащих сред и голографических технологий» Государственного Оптического Института им. С.И. Вавилова профессором Наталией Владимировной Каманиной

Наталия Владимировна Каманина

«Жидкие кристаллы прекрасны и загадочны, и поэтому я их люблю»

Ученые из Санкт-Петербурга готовы предложить уникальную технологию создания нового поколения жидкокристаллических дисплеев за счет модифицирования жидких кристаллов нанообъектами: фуллеренами и нанотрубками. О своих последний разработках поделилась с корреспондентом Нанометра руководитель лаборатории «Фотофизики фуллеренсодержащих сред и голографических технологий» Наталия Владимировна Каманина.

Наталия Владимировна, не могли бы Вы коротко пояснить, что такое жидкие кристаллы и чем они примечательны?

• Со времени проведения первой Международной конференции по жидким кристаллам (ЖК), которая состоялась в 1965 г. в Кентском университете (США), связь этих систем с различными аспектами лазерной техники, информационными оптическими технологиями, термооптикой, медициной, дисплейными устройствами и системами, др. стала предметом оживленной полемики.

Действительно, ЖК, являясь уникальной мезоморфной (от греческого мезос – промежуточный) фазой вещества, сочетают в себе свойства как твердых тел (наличие дальнего ориентационного порядка и проявление брэгговской дифракции), так и жидкостей (проявление текучести, вязкости).

С точки зрения истории вопроса интересно, что само открытие промежуточного жидкокристаллического состояния вещества приписывается австрийскому ботанику Фридриху Рейнитцеру, который получил эфир холестерина – холестерилбензоат и обнаружил, что у этого соединения имеются две точки плавления, при которых происходят фазовые переходы разного характера.

Фридрих Рейнитцер

При 145.5 oС структура твердого холестерилбензоата разрушалась, он превращался в мутную жидкость (теперь мы говорим – жидкий кристалл), которая при дальнейшем нагревании до 178.5 становилась прозрачной. Эти наблюдения показали, что у холестерилбензоата имеются три различные фазы: твердая, жидкокристалическая и жидкая.

Рейнитцер описал свой эксперимент в статье, опубликованной в одном из химических журналов в 1888 г. Обращает на себя внимание необыкновенно деликатный слог письма, которое Рейнитцер написал немецкому физику Отто Леману:

«…я осмеливаюсь просить Ваше высокоблагородие переслать Вам два вещества с просьбой по возможности более тщательно исследовать их физическую изомерию. Оба вещества (холестерилацетат и хо-лестерилбензоат) обнаруживают такие выдающиеся и красивые явления, что я надеюсь, это в какой-то мере заинтересует Вас. В связи с этим, а также из собственного …».

Вскоре Леман провел систематическое исследование органических соединений и нашел, что они по своим свойствам похожи на холестерилбензоат. Каждое из соединений вело себя как жидкость по своим механическим свойствам и как кристаллическое твердое тело – по оптическим свойствам.

Леман показал, что мутная промежуточная фаза – это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» – Flussige Kristalle. Затем Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти соединения мезоморфными и разделил их на три класса.

Соединения, имеющие свойства, схожие с мылами он назвал смектическими (толщина слоя в смектических ЖК порядка длины молекул и составляет 20 Å), далее шли нематические (нема – от греческого – нить) структуры, схожие со смектиками по своим оптическим свойствам, а затем – холестерические системы (в холестерических ЖК молекулы уложены в слои толщиной около 2000 Å), поскольку к ним относилось большое число производных холестерина. Заметим, что сам Фридель не считал холестерические ЖК отдельным классом и рассматривал их как нематические ЖК. (Драматическую историю открытия ЖК можно прочесть в статье А. С. Сонина, прим. ред.)

Интенсивное изучение ЖК началось в середине 30-х гг. прошлого столетия, в настоящее время эти системы продолжают детально исследоваться в силу своих уникальных фотоупругих, электрооптических и нелинейных оптических свойств. Рассматриваются различные способы их синтеза и тестирования, методы введения в различные фоточувствительные полимерные и наноструктурированные среды. Изучаются жидкокристаллические нематические, холестерические и смектические структуры, а также системы, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами.

Важной доминантой в изучении фазового состояния ЖК, структурирования мезофазы является проведение их сенсибилизации («повышения чувствительности к определенным воздействиям») при использовании нанообъектов. В качестве последних используются фуллерены, нанотрубки, нановолокна, наночастицы, др.

Исследуются структурные, химические, спектральные, фотопроводниковые, электрические, нелинейно-оптические свойства жидких кристаллов и нанокомпозитов на их основе; изучаются механизмы взаимодействия теплового излучения, магнитного и электрического полей, а также лазерного излучения широкого спектрального и энергетического диапазонов с данными системами.

Определяются перспективы использования жидкокристаллических сред в качестве усилителей яркости изображения, перестраиваемых фильтров, дисплейных элементов нового поколения, быстродействующих переключателей, оптически управляемых и акустических модуляторов света, термодатчиков в различных областях науки, техники, биологии и медицины.

Каждая из областей по-своему интересна и познавательна и требует определенных усилий для своего планомерного развития. Более подробно узнать о каждой из них можно ознакомившись с некоторыми публикациями нашей группы.

Стоит сказать, что специфическое применение ЖК в биологии и медицине обусловлено тем обстоятельством, что многие биологические структуры (хлоропласты, мышечная и нервная ткани, мембраны, зрительные рецепторы, др.) обладают жидкокристаллическими свойствами.

При использовании понятия «жидкий кристалл» в биологии и медицине, как правило, их разделяют на термотропные и лиотропные ЖК. Представители обоих типов обладают полиморфизмом, т.е. жидкий кристалл, образованный из одного вещества (термотропный) или из смеси веществ (лиотропный), может существовать в нескольких жидкокристаллических фазах. Термотропные ЖК могут быть либо нематическими, либо смектическими. Термотропные ЖК образуются при нагревании некоторых твердых веществ. Молекулы таких органических соединений, которые при нагревании образуют жидкие кристаллы, имеют вытянутую форму. Отношение осей, обычно характерное для этих молекул, составляет (4–8):1 (т.е. предполагается, что молекула имеет форму почти цилиндра и его длина в 4–8 раз больше диаметра).

Молекулярные веса термотропных соединений обычно лежат в интервале 200–500. Молекулы, образующие термотропные системы меньше молекул, лиотропных систем, хотя соотношение осей последних редко превосходит 15. Лиотропные ЖК, в отличие от термотропных, получают при смешивании двух или более компонентов, один из которых, например, вода, служит растворителем.

Имеется множесво комбинаций различных веществ, способных образовывать лиотропные ЖК. Наиболее распространенные лиотропные ЖК представляют собой водные растворы амфифильных веществ. В амфифильных молекулах есть как ионная группа, растворимая в воде, так и нерастворимая в воде органическая часть. Такие системы как липид–вода, липид–вода-белок являются лиотропными ЖК, они имеют большое биологическое значение, вода является неотъемлемой частью этих жидкокристаллических структур.

В живых организмах примером такой системы может служить смесь лецитин–холестерин–соли желчных кислот–вода. Есть предположение, что живая клетка представляет собой жидкий кристалл. Так, в 30-х годах двадцатого века английский исследователь Джон Бернал писал:

«…жидкий кристалл в клетке благодаря своей структуре становится прото-органом механической, химической и электрической активности, и, будучи ассоциирован в специализированных клетках высших животных, дает начало истинным органам, таким как мышца и нерв. Второе, и, возможно, более важное – это то, что ориентированные молекулы жидких кристаллов образуют идеальную среду для каталитического действия, в частности, действия сложного типа, способного обеспечить рост и воспроизведение…».

По-видимому, это утверждение Бернала, действительно, небезосновательно. В настоящее время не вызывает сомнения тот факт, что роль жидкокристаллического состояния вещества в функционировании живых систем очень существенна.

Заканчивая краткий разговор по теме: «Что такое жидкие кристаллы?», хочется привести слова П.де Жена. В своей книге “Физика жидких кристаллов” французский физик-теоретик П. де Жен красноречиво написал:

“Жидкие кристаллы прекрасны и загадочны, и поэтому я их люблю. Я надеюсь, что некоторые из читателей… испытают к ним то же влечение, помогут разгадать загадки и поставят новые вопросы”.

Замечательные слова! Полностью с ними согласна, занимаясь ЖК уже в течение 25 лет.

Н.В.Каманина на лекции для студентов – показ картины дифракции на фуллеренсодержащей тонкой пленке

Как пришла идея использовать фуллерены для модификации жидких кристаллов?

• В 1998–1999 гг. я работала по приглашению в одном из американских университетов. Тема, по которой работала, не была напрямую связана с использованием или исследованием ЖК-состояния вещества. Однако, с собой привезла несколько мг своих систем, то есть ЖК, чистых и сенсибилизированных различными комплексами с переносом заряда, чтобы на хорошем оборудовании иметь возможность просмотреть изменение ряда параметров.

Удалось просмотреть изменение температур фазовых переходов в ЖК при введении фуллеренсодержащих комплексов с переносом заряда. Оказалось, что наблюдается некоторое отличие термических свойств, определяемых по методу дифференциальной сканирующей калориметрии, а также ряд спектральных особенностей, в том числе и в ИК-области.

По приезде домой, в Питер, продолжая заниматься нелинейными оптическими и динамическим свойствами органических систем, измерила временные характеристики и сенсибилизированных нанообъектами ЖК-ячеек при изучении эффекта Фредерикса и высокочастотного эффекта Керра. Обнаружился факт: эти времена существенно лучше у структур с фуллеренами, чем без таковых. И лучше на порядок!

Также были изучены нелинейно-оптические свойства, а именно изменение светоиндуцированного показателя преломления. Так, изменение показателя преломления (наведенная лазерным излучением оптическая анизотропия на уровне 10–3, что выше термически наведенного изменения показателя преломления на уровне 10–5) существенно превышало этот же параметр, наблюдаемый для «чистых» систем.

Была набрана статистика по изменению параметра порядка, температуры фазового перехода, временам включения, выключения электрооптического отклика, были изучены различные виды фуллеренов и их смесей в качестве эффективных сенсибилизаторов спектральных, фотопроводниковых, нелинейно-оптических и динамических свойств ЖК, различные виды донорных молекул, образующих комплексы с переносом заряда с фуллеренами, исследованы различные виды рельефов для укладки молекул ЖК, др.

Мои коллеги в Государственном оптическом институте, в университете, политехническом университете, физико-техническом институте, ЛЭТИ, ЛИТМО, в Черноголовке, Москве, Новосибирске, Саратове, др., а также за рубежом помогали мне во всем. Благодарна им за помощь и внимание.

Основное физическое объяснение полученному эффекту было дано в статье в журнале «Успехи физических наук» (т. 175, № 4, с. 445–454 (2005)).

На сегодня могу сказать: введение нанообъектов существенно улучшают практически важные динамические свойства электрооптической жидкокристаллической фазы вещества. Основная идея связана с созданием дополнительного дипольного момента и увеличением локальной поляризуемости единицы объема среды при введении наноструктур, в том числе и биообъектов, каковыми, например, могут быть клетки крови человека (эритроциты), зарядовая оболочка последних постоянно изменяется в связи с трансформацией протеинов внутри клетки.

Известно, что поляризованной системой легко и более быстро можно управлять! Возможно, что может быть предложено другое физическое обоснование полученному физическому эффекту, однако сам эффект уже открыт и его первое объяснение уже дано.

И чем же интересны такие системы, какие перспективы сулит использование данных систем?

• Перспективы крайне интересны и заманчивы:

Это новые ЖК-дисплейные элементы, где требуется высокое быстродействие, существенно превышающее телевизионный стандарт (например, устройства с очками для людей, страдающих косоглазием, др.), быстродействующие пространственно-временные модуляторы света для коррекции амплитудно-фазовых аберраций, обращения волнового фронта, др., шторки для защиты глаз сварщиков, пилотов самолетов, врачей при использовании лазерного излучения в хирургии, визуализаторы изменения конфигурации клеток крови человека, например, эритроцитов (экспресс-диагностика клеток крови).

Это новые телевизоры и компьютерные дисплеи, поскольку введение нанообъектов создает и некую цветовую гамму в ЖК, несвойственную чистым материалам.

Необыкновенно много интересных применений может быть найдено по ходу классических экспериментов с сенсибилизированными ЖК-структурами.

Какие еще группы в Российской Федерации и за рубежом занимаются этой тематикой, и какие результаты им удалось получить?

• Многие мои коллеги занимаются как самими ЖК, так и сенсибилизированными ЖК-составами. Аспектов применения и исследования настолько много, что ограничусь здесь медицинскими применениями ЖК: наиболее интенсивно ЖК для медицинских применений изучаются в следующих научных центрах РФ и ближнего зарубежья:

Иваново. Проблемная лаборатория жидких кристаллов. Руководитель лаб. Профессор Надежда Васильевна Усольцева. В 1994 г. вышла книга: Н.В. Усольцева. Лиотропные жидкие кристаллы: химическая и надмолекулярная структура. Иваново, ИвГУ, 1994. 220 с.

Лаборатория оптических методов диагностики газовых потоков Института Теоретической и Прикладной Механики СО РАН, г. Новосибирск. Занимаются Жидкокристаллическими термоиндикаторами: Визуализация невидимых ИК- и СВЧ-излучений; диагностика воспалительных очагов в медицине и ветеринарии; изготовление бытовых и медицинских термометров.

Национальная Академия Наук Беларуси, Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого, Белорусский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии. Разработали и представили новую концепцию смазки суставов, согласно которой низкое внутрисуставное трение достигается благодаря жидкокристаллическому состоянию синовиальной жидкости в зоне контакта суставных хрящей, индуцированному присутствием в ней холестерических жидких кристаллов.

Военно-медицинская Академия и институт экспериментальной медицины, Санкт-Петербург – для диагностики опухолей. Если нанести ЖК-вещества на какую-либо поверхность, то на ней его молекулы сориентируются определенным образом, причем если поверхность неоднородна, то на разных ее участках молекулы «выстроятся» по-разному.

Множество других научных центров по России и за рубежом.

Что касается сенсибилизированных ЖК-систем, то данные нижеприведенной таблицы могут обозначить как группы зарубежных исследователей, так и получаемые ими результаты, например, по временам переключения ЖК.

Илья Гольдт

http://www.nanometer.ru/…al_3905.html

Очень интересно! Всегда интересно, полезно и очень поучительно «поговорить» (хотя бы и посредством интервью) с интересными и увлечёнными людьми, которые занимаются важным и одновременно – увлекательным делом! Читая интервью с ними, понимаешь, что и у нас имеются свой «золотой запас» – талантлтвых учёных и преподавателей, и что наша наука и техника не столь уж далеко (в некоторых направлениях) отстали от мирового уровня…