СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ - НОВЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Аннотация. В настоящее время бурное развитие получила супрамолекулярная химия. Это междисциплинарная наука, которую можно охарактеризовать как "химию за пределами молекул". Она изучает структуру и функции ассоциаций двух или более химических частиц, удерживаемых вместе межмолекулярными нековалентными взаимодействиями. Первыми объектами супрамолекулярной химии стали такие супермолекулы как краун-эфиры, криптанды, сферанды. В настоящее время синтезируется большое количество новых супермолекул, которым находится многочисленное применение.

Ключевые слова: химия, жидкие кристаллы, наноматериалы

Интересными объектами супрамолекулярной химии являются жидкие кристаллы. Они способны образовывать так называемую мезофазу, характеризующуюся свойствами как твердого тела так и жидкости.

Итак, жидкие кристаллы (ЖК) – особое термодинамическое состояние вещества, промежуточное между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью и характеризующееся определенным порядком в расположении молекул. В этом состоянии имеет место анизотропия механических, электрических, магнитных и оптических свойств. т.е. физические свойства различны в разных направлениях.

Уникальные свойства жидкокристаллических материалов находят широкое применение в электронике, оптике и других областях. Немаловажной областью применения жидких кристаллов являются сорбционные технологии.

В последние годы большое внимание уделяется синтезу и исследованию мезоморфных и физических свойств так называемых супрамолекулярных ЖК. Молекулы этих жк образуют более упорядоченные фазы в результате самосборки за счет специфических взаимодействий активных заместителей.

Целью настоящей работы являлось исследование сорбционных свойств супрамолекулярного жидкого кристалла в условиях газовой хроматографии.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

1. Изучить научную и научно-популярную литературу о жидких кристаллах, их свойствах и областях применения;
2. Дать понятие «супрамолекулярные жидкие кристаллы»;
3. Экспериментально изучить сорбционные свойства супрамолекулярного жидкого кристалла методом газовой хроматографии;
4. Рассмотреть селективные свойства исследуемого жидкого кристалла по отношению к структурным изомерам.

Жидкокристаллическое состояние вещества может проявляться или при определеной температуре (это термотропные ЖК) или в определенном растворителе (это лиотропные ЖК). Для оптических и сорбционных технологий наибольший интерес представляют термотропные жидкие кристаллы.

Термотропные ЖК при комнатной температуре являются типичными кристаллическими веществами, при нагревании они начинают плавиться и при температуре плавления переходят собственно в жидкокристаллическое состояние. По-другому это состояние называют мезофазой. При дальнейшем нагревании мезофаза переходит в обычную жидкость, это происходит при температуре, которую называют температурой осветления. В зависимости от того как располагаются молекулы в мезофазе выделяют несколько типов жидких кристаллов.

Смектический тип жк ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях. При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя, так и под некоторым углом.

Нематический тип жк характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных или коротких осей молекул. При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.

Наиболее сложный упорядоченный тип жк холестерический. Такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от нематиков. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационный порядок. Очень часто их называют закрученным нематиком.

Периодическая спиральная структура холестериков определяет их уникальную особенность — селективно отражать падающий свет, "работая" в этом случае как дифракционная решетка.

Есть две главные особенности ЖК, благодаря которым возможно создание на их основе устройств отображения информации:

1.Способность молекул ЖК переориентироваться во внешнем электрическом поле

2.Способность изменять поляризацию светового потока, проходящего через их слои.

Применение. Дисплеи на основе жидких кристаллов

В основе любого ЖК-дисплея лежит конструктивный принцип, проиллюстрированный на рис.1. Основой для последующих слоев ЖКИ являются две параллельные стеклянные пластины с нанесенными на них поляризационными пленками. На внутреннюю поверхность стекол и электрод наносятся полимерные выравнивающие слои. Пространство между выравнивающими слоями заполняют ЖК веществом. Когда напряжение на управляющие электроды не подано, поток света, пройдя через нижний поляризатор, двигается через слои жидких кристаллов, которые плавно меняют его поляризацию, поворачивая её на угол 90°. В результате поток света после выхода из ЖК материала беспрепятственно проходит через верхний поляризатор и попадает к наблюдателю. Никакого формирования изображения не происходит. При подаче напряжения на электроды между ними создается электрическое поле, что вызывает переориентацию молекул ЖК. Создается изображение, формируемое светлой фоновой областью и темной областью под включенным электродом. Путем варьирования контуров площади, занимаемой электродом, можно формировать самые различные изображения: буквы, цифры и т.д.

Согласно поставленной цели нас интересовали сорбционные свойства супрамолекулярных жк. Известно, что жидкокристаллические материалы применяются в газовой хроматографии для разделения структурных изомеров органических веществ, которые не могут быть разделены стандартными полимерными фазами. От более упорядоченного супрамолекулярного ЖК мы ожидали повышеннх значений структурной селективности.

В качестве объекта исследования выбран супрамолекулярный жидкий кристалла 4-(3-гидроксипропилокси)-4’-формилазобензол (сокращенно ГПОФАБ). Он синтезирован в Ивановском государственном техническом университете. Данный жидкий кристалл является супрамолекулярным потому что в его молекуле есть активные концевые заместители. и эти заместители за счет водородной связи образуют ассоциаты между молекулами жидкого кристалла. Температуры фазовых переходов представлены на слайде. При температуре 98 градусов кристалл плавится и переходит в смектическую фазу, затем в нематическую и выше 141 градуса становится жидкостью.

Сорбционные свойства изучали по отношению к структурным изомерам пропанола и ксилола.

В качестве метода исследования сорбционных свойств использовали газовую хроматографию. Это универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ. В хроматографической системе мы имеем две несмешивающиеся между собой фазы. Подвижная фаза, в газовой хроматографии это инертный газ. и неподвижная фаза, или по другому сорбент. в нашем случаем это супрамолекулярный жидкий кристалл. Сорбентом заполняется хроматографическая колонка. Компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между подвижной и неподвижной фазой.

Принцип разделения – неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и неподвижной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются последней, поскольку сродство их к этой фазе различно, и таким образом разделяются.

Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хромотограммы автоматическим потенциометром или же регистрируется компьютером.

Мы проводили эксперимент на газовом хроматографе «Цвет-100». использовали стальные колонка длиной 1,0 м и внутренним диаметром 3,0 мм. В качестве подвижной фазы использовали азот.

Экспериментально определяемые характеристики:

Здесь представлена формула для расчета удельного объёма удерживания и фактора разделения изомеров. Удельный объем удерживания (ВЖТ) является характеристикой удерживания вещества на сорбенте. а фактор разделения показывает можем ли мы отделить вещества друг от друга в процессе хроматографирования.

На данном слайде представлен график зависимости удельного объема удерживания (V_g^T ) от температуры для изомеров ксилола на колонке с неподвижной фазой 4-(3-гидроксипропилокси)-4’-формилазобензол. Видно, что температурные зависимости всех трех изомеров различны, чего трудно добиться при использовании стандартных неподвижных фаз в газовой хроматографии. Это значит, что применение супрамолекулярного жидкого кристалла в качестве сорбента позволит разделять эти трудноразделяемые вещества.

На слайде представлены температурные зависимости фактора разделения изомеров спиртов и ксилола. Видно, что наибольшее значение фактора разделения для изомеров спирта наблюдается при температуре 140 градусов, это соответствует жидкой фазе кристалла, а для структурных изомеров ксилола наибольшие значения фактора разделения наблюдаются в области существования смектической фазы.

В ходе исследования проведен литературный обзор по теме: «Жидкокристаллическое состояние вещества». Рассмотрены классификации жидких кристаллов. Охарактеризованы основные свойства и области применения жидких кристаллов. Показаны перспективность получения и изучения новых супрамолекулярных жидких кристаллов, характеризующихся более высокой степенью упорядоченностью. Экспериментально, методом газовой хроматографии, изучены сорбционные свойства супрамолекулярного жидкого кристалла 4-(3-гидроксипропилокси)-4’-формилазобензол (ГПОФАБ). Установлено, что сорбент на основе ГПОФАБ обладает селективными свойствами разделения пропанола и ксилола.

Список литературы:

1. Зоркий П.М., Лубнина И.Е. Супрамолекулярная химия: возникновение, развитие, перспективы. // Вест. Моск. Ун-та. Сер.2. Химия. 1999. Т. 40. № 5. С. 300-307.
2. Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. Новосибирск: Наука. 1998. 334 с.
3. Стид Д.В., Этвуд Д.Л.. Супрамолекулярная химия. М.: ИКЦ «Академкнига». пер. с англ. в 2 Т. 2007. 416 с.
4. Америк Ю. Б., Кренцель Б. А. Введение в физику жидких кристаллов. М.: Наука. 1983. 319 с.
5. Усольцева В. А. Жидкие кристаллы и их практическое использование. // Журнал ВХО им. Д. И. Менделеева. 1983. T. XXVII. № 2. С. 2-11.
6. Сонин А. С Введение в физику жидких кристаллов. М.: Наука. 1983. 320 с.
7. Вигдергауз М.С. Физико-химические основы и современные аспекты газовой хромотографии. Самара: Изд-во “ Самарский университет ”, 1993. C. 115.
8. Ю. А. Золотов, Е. Н. Дорохова, В. И. Фадеева и др. Название: Основы аналитической химии. Кн. 1, 2. Издание:2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк. 2000.
9. Москвин Л.Н., Родинков О.В. Методы разделения и концентрирования в аналитической химии. М.: Интеллект, 2011, 352 с.
10. Рощина Т.М. Хроматография в физической химии. // Соровский образовательный журнал. 2000, Т. 6, №8. С.39 - 46.
11. Шабаев В.П. Необычные кристаллы.
12. Юнг Г. Энструментальные методы химического анализа. М-Мир.
13. http://www.XuMuK.ru/