Глава 3: ХОЛЕСТЕРИЧЕСКОЕ «КОЛЬЦО НАСТРОЕНИЯ»

Жидкие кристаллы (ЖК) — ещё один пример материалов, свойства которых определяются структурой на нанометровом уровне. На фазовой диаграмме ЖК между твёрдым кристаллическим и изотропным жидким состояниями существует область промежуточного (так называемого мезоморфного) состояния [1], при котором молекулы ЖК самоорганизуются в квазикристаллические наноструктуры, обладающие множеством любопытных физико-химических свойств. 

Термотропные ЖК — это вещества, для которых мезоморфное состояние возникает в определённом интервале температур. Ниже этого интервала вещество является твёрдым кристаллом, выше — обычной жидкостью.

ЖК на основе производных холестерина имеют форму продолговатых пластинок, расположенных параллельно друг другу. В мезоморфном состоянии они образуют холестерическую спираль — слоистую винтовую структуру с шагом ~300 HM, причём шаг спирали меняется в зависимости от температуры. Такая фаза ведёт себя по отношению к падающему излучению подобно дифракционной решётке. За счёт нанометрового размера периода спирали диапазон излучения соответствует видимой области спектра, при этом окраска кристалла (длина волны отражённого света) зависит от шага спирали, а следовательно и от температуры [2].

При небольшом изменении температуры в мезоморфной области цвет ЖК холестерического типа способен изменяться в широком диапазоне. Термохромные свойства холестерических жидких кристаллов нашли множество применений; самое забавное (и коммерческое) — так называемые «кольца настроения» (mood rings) — популярные украшения, которые якобы способны «улавливать» настроение человека и выражать его цветом. На самом деле данное украшение — He что иное, как примитивный (но весьма декоративный) жидкокристаллический термометр. Известно, что температура кожи здорового человека определённым образом изменяется в зависимости от его эмоционального состояния. Этого изменения достаточно, чтобы шаг холестерической спирали изменился и, соответственно, поменялся цвет жидкого кристалла. 

Чтобы получить аналог «кольца настроения», надо изготовить термохромный материал, меняющий окраску в диапазоне физиологических температур. Известно, что разные эфиры холестерина и их смеси имеют разный температурный диапазон мезоморфного состояния [3]:

Описание задачи

Получение термохромных композиций жидких кристаллов с температурой фазового перехода в диапазоне физиологических температур кожи человека и наблюдение их свойств.

Реактивы, необходимые для работы

1. Холестерил олеил карбонат.
2. Холестерил пеларгонат.
3. Холестерил бензоат (опционально).

Оборудование, необходимое для работы*

1. Часовое стекло для взвешивания — 3 шт.
2. Стеклянная палочка — 1 шт.
3. Баночка с крышкой объёмом ~10-20 мл — 1 шт.
4. Весы электронные лабораторные 2-го класса или точнее.
5. Листок чёрного пластика размером ~50×50 мм — 1 шт.
6. Листок прозрачного пластика размером ~50×50 мм — 1 шт.
7. Скотч прозрачный.
8. Электроплитка с закрытой спиралью.

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. Термометр.

Описание эксперимента

На часовых стёклах взвешивают холестерил олеил карбонат (420 мг), холестерил пеларгонат (480 мг) и холестерил бензоат (100 мг). Смешивают навески на одном из стёкол, нагревают на тёплой поверхности плитки до плавления и тщательно перемешивают стеклянной палочкой. (Внимание! Избегайте перегрева смеси!) Готовый ЖК может храниться в баночке с плотно закрытой крышкой. Изготовление термохромного «жидкокристаллического пластыря»: на листок чёрного пластика нанесите небольшое количество смеси эфиров холестерина; накройте листом прозрачного пластика; скрепите скотчем; с помощью выступающей части скотча закрепите пластырь на теле. Наблюдайте изменение цвета ЖК в зависимости от вашего эмоционального состояния и физической нагрузки.

Примечание

1. Композицию можно приготовить и без использования холестерил бензоата, в этом случае образующийся ЖК будет чуть менее ярким. Рекомендуемый состав 1 г ЖК: холестерил олеил карбонат — 500 мг, холестерил пеларгонат — 500 мг.
2. Следует отметить, что на разных участках тела человека температура кожи разная: среднее значение температуры кожи лба — 33.2°С, груди — 33.5°C, кистей рук — 30.4°C, стоп — 26.5-27.0°C. Более того, у разных людей температура кожи может существенно различаться. Соотношение исходных компонентов следует выбирать в зависимости от индивидуальных особенностей человека и от того, где предполагается закрепить «жидкокристаллический пластырь».
3. Изменение окраски жидких кристаллов особенно отчётливо видно на чёрном фоне, поэтому в опытах лучше использовать чёрную пластиковую подложку.
4. Изменение окраски жидких кристаллов лучше видно в тонком слое, поэтому не берите большую навеску смеси эфиров холестерина, достаточно одной капли.
5. В качестве основы для жидкого кристалла можно использовать простое кольцо CO стеклом, имеющим форму кабошона. Поверхность под стеклом следует покрыть чёрной эмалью, затем нанести ЖК, поставить стекло на место и загерметизировать (закрепить) подходящим клеем. Состав, соответствующий температуре пальца, подберите самостоятельно.

Дополнительные факты

Любопытно, что многие насекомые (например, пластинчатоусые жуки [4, 5]) своей яркой окраской обязаны структурам, напоминающим холестерические жидкие кристаллы.

Именно жидкие кристаллы (англ. — liquid crystals) положили основу «индикаторной революции»; жидкокристаллический дисплей (Liquid Crystal Display, LCD) определил развитие систем отображения цифровой информации [6]

Полезная литература

1. Rosevear F.B.Liquid crystals: the mesomorphic phases of surfactant compositions // Journal оf the Society оЁ Cosmetic Chemists. 1968. V. 19. P. 581-594.
2. Tamaoki N. Cholesteric liquid crystals for color information technology // Advanced Materials. 2001. V. 13 (15). P. 1135-1147.
3. Procedurebasedon: BrownG.H., Wolken].J.Liquid crystals апа biological systems. N. Y.: Academic Press, 1979. P. 165-167; Elser W., Ennulat Е. D. Selective reflection оf cholesteric liquid crystal // Advanced т liquid crystals. V. 2 / Ed. Brown G.H. N. Y.: Academic Press, 1976. Р. 73.
4. Neville A.C., Caveney 5. Scarabaeid beetle exocuticle а5 ап optical analogue of cholestericliquid crystals // Biological Reviews. 1969.V. 44 (4). P. 531-562.
5. Thomas D.B., Seago А., Robacker D. С. Reflections оп golden scarabs // American Entomologist. 2007. V. 53 (4). P. 224-230.
6. Tilton М. // Liquid crystals: applications and uses. V.3 / Ed. Bahadur В. Singapore: World Scientific, 1992. P. 68-199.