Молекулярная физика. Том 2 - Матвеев А.Н.
Скачать (прямая ссылка):
86
g
г
86. Парная функция распределения для жидкостей
§ 36. Структура жидкостей. Жидкие кристаллы 281
взаимодействия U (г). Число пар молекул, между которыми расстояние равно
г, пропорционально г2д{г), а следовательно, потенциальная энергия
взаимодействия пропорциональна интегралу
ОО
J r2g (г) U (г) dr. (36.1)
о
Если д (г) и U (г) известны как функции плотности и температуры, то можно
определить все равновесные свойства жидкости.
Зависимость свойств жидкости от строения молекул. Поскольку в жидкости
молекулы находятся близко друг к другу, их внутреннее строение и свойства
оказывают существенное влияние на свойства жидкости. Например, наличие
постоянных дипольных моментов у молекул и их взаимодействие приводят к
неравноценности различных взаимных ориентаций молекул. На взаимное
движение молекул оказывает существенное влияние их форма. Ясно, например,
что длинные молекулы меняют относительные положения по-другому, чем
шарообразные, и т. д. Это еще более осложняет описание жидкого состояния.
Жидкие кристаллы. Таким образом, жидкость имеет определенную структуру,
хотя и не так ярко выраженную, как кристаллическая структура твердого
тела. Однако имеется много случаев, когда жидкость имеет еще более ярко
выраженную структуру, чем просто наличие структуры ближнего порядка.
Оказывается, для многих веществ, особенно для органических материалов,
вообще нельзя говорить о переходе из твердого состояния в жидкое как об
одном переходе. У них переход из твердого состояния в жидкое состоит из
последовательности переходов, при каждом из которых изменяются состояние
и строение вещества, и нельзя сказать, что оно находится либо в жидком,
либо в твердом состоянии. Механические свойства и структура веществ в
этих промежуточных состояниях являются промежуточными между жидким и
кристаллическим состояниями. Вещество в таких промежуточных состояниях
называется жидким кристаллом.
Виды жидких кристаллов. Особенностью жидкостей является отсутствие
какого-либо пространственного упорядочения и изотропия их свойств.
Наиболее существенной чертой кристаллической структуры твердых тел
является наличие трехмерного упорядочения. Жидкие кристаллы проявляют
упорядоченность, которая является промежуточной между упорядоченностью
жидкости и твердых тел, приводящей к соответствующей анизотропии их
свойств. В соответствии с этим жидкие кристаллы делятся на две группы.
Первая группа жидких кристаллов, называемых смектиками, характеризуется
одномерной пространственной упорядоченностью. Жидкость представляется
состоящей из параллельных жидких слоев, регулярно следующих друг за
другом и отличающихся друг от друга упорядоченностью структуры. Вторая
группа жидких кристаллов, называемых нематиками, не имеет
пространственной упорядоченности, а характеризуется ориентационной
упорядоченностью их молекул. Их молекулы сильно вытянуты, и
ориентационная упорядоченность возникает из-за преимущественной
ориентации этих длинных молекул. У смектиков молекулы также сильно
вытянуты. Поэтому можно сказать, что особенностью жидких кристаллов с
молекулярной точки зрения является вытянутая структура их молекул,
приводящая к анизотропии свойств.
Смектики. Смектики делятся на три типа. Обозначим их А, В, С. У смектиков
типов А и С слои жидкости ведут себя как двумерная жидкость, центры масс
282 4. Газы с межмолекулярным взаимодействием и жидкости
молекул которой в слое описываются бинарной функцией распределения. У
смектиков типа В слои жидкости по своим свойствам ближе к двумерному
твердому телу. В пределах слоев имеются периодичность и жесткость,
характерные для твердого тела. Благодаря этому, в частности, наблюдается
дифракция рентгеновских лучей на твердотельной упорядоченности внутри
каждого слоя. В отличие от смектиков типов А и С, у которых слои, как
правило, искривлены, слои смектиков типа В являются плоскими.
Толщина слоев смектика типа А близка к длине молекул, направленных в
среднем перпендикулярно поверхности раздела между слоями (рис. 87).
Локальные свойства системы слоев аксиально-симметричны относительно оси
вращения, перпендикулярной поверхности раздела между слоями, причем оба
направления вдоль перпендикуляра эквивалентны. Отсюда следует, что в
оптическом отношении смектика типа А проявляют свойства одноосного
кристалла.
Толщина слоев смектика типа С меньше длины молекул и естественным
является предположение, что молекулы у него направлены под углом к
поверхности раздела (рис. 88). Благодаря этому локальные свойства не
являются аксиально-симметричными относительно оси, перпендикулярной
поверхности раздела. Смектики типа С обладают типичными свойствами
двуосных кристаллов. Если длинные молекулы, образующие смектик С,
оптически активны, причем правые и левые формы молекул присутствуют не в
одинаковом количестве, то его структура усложняется. В этом случае при
переходе от слоя к слою направление наклона осей молекулы прецессирует
