§ 21. Аморфные тела. Жидкие кристаллы

Определения и обозначения

Аморфное тело — твёрдое тело, в котором частицы не образуют дальнего порядка. В кристалле их расположение закономерно повторяется на больших расстояниях, а в аморфном теле такого повторения нет. Поэтому стекло может быть твёрдым и сохранять форму, хотя его строение не похоже на кристаллическую решётку.

Жидкий кристалл — вещество, которое течёт, как жидкость, но сохраняет упорядоченность частиц и зависит от направления, как кристалл. Его частицы могут перемещаться, однако часто ориентированы согласованно. Это сочетание свойств помогает понять, почему жидкий кристалл применяют для управления светом.

Изотропия — одинаковость физических свойств вещества по всем направлениям. Аморфные тела обычно изотропны: например, их свойства не меняются только от того, в какую сторону мы их рассматриваем. Понятие нужно, чтобы описывать связь между внутренним строением вещества и измеряемыми свойствами.

Анизотропия — зависимость физических свойств вещества от направления. Она связана с упорядоченным строением кристаллов и ориентацией частиц жидких кристаллов. Если повернуть такой материал, его свойства, например оптические, могут измениться.

Как это устроено

В кристалле частицы выстроены в устойчивую закономерную структуру: расположение повторяется и далеко от выбранной точки. В аморфном теле сохраняется лишь ближний порядок, то есть закономерность среди ближайших соседей. Дальше расположение уже не повторяет единую структуру. Поэтому одинаковый химический состав сам по себе не гарантирует одинакового строения и свойств: важен способ расположения частиц.

Из-за отсутствия дальнего порядка у аморфного тела обычно нет выделенных направлений, связанных с повторяющейся структурой. Поэтому его физические свойства чаще всего одинаковы в разных направлениях — это изотропия. У кристалла направления могут быть устроены по-разному относительно его частиц и структуры, поэтому, например, тепло или свет могут распространяться неодинаково. Такое различие называют анизотропией, и оно относится к направлению, а не к месту внутри тела.

При нагревании кристаллическое вещество обычно плавится при определённой температуре. Упорядоченная структура разрушается при переходе в жидкое состояние, поэтому переход заметен как плавление при конкретной температуре. Аморфное тело устроено иначе: его частицы не собраны в единую дальнеупорядоченную структуру, которая могла бы разрушиться сразу. Поэтому оно не плавится резко, а постепенно становится мягче в интервале температур.

Жидкий кристалл способен течь, потому что его частицы могут перемещаться друг относительно друга, как в жидкости. Но при этом частицы сохраняют согласованную ориентацию, то есть определённую упорядоченность, характерную для кристаллов. Подвижность даёт текучесть, а ориентация частиц — зависимость свойств от направления. Так объясняется сочетание в одном веществе свойств жидкости и кристалла.

Ориентация частиц жидкого кристалла влияет на то, как через него проходит свет: оптические свойства зависят от направления. В жидкокристаллическом экране электрический сигнал может менять эту ориентацию. Изменение ориентации меняет прохождение света через участки экрана, поэтому можно управлять их яркостью. Именно анизотропию жидкого кристалла используют для создания изображения.

Сравнение кристаллических, аморфных тел и жидких кристаллов

Сравнивайте вещества по нескольким признакам сразу: текучесть сама по себе не показывает, есть ли упорядоченность частиц. Для классификации полезно спросить, сохраняет ли вещество форму, как оно ведёт себя при нагревании и меняются ли свойства при изменении направления. Так таблица помогает отличить похожие на вид, но разные по строению материалы.

Разбор задач

Задача 1. Распределите стекло, поваренную соль и жидкий кристалл по группам: кристаллические тела, аморфные тела и жидкие кристаллы. Для каждого назовите признак классификации. Нужно опираться не только на то, твёрдое вещество или текучее, но и на упорядоченность частиц.

1. Сначала проверим, какое вещество имеет дальний порядок: у поваренной соли частицы образуют упорядоченную кристаллическую структуру.
2. Стекло сохраняет форму, но дальнего порядка в расположении его частиц нет, поэтому оно относится к аморфным телам.
3. Жидкий кристалл текуч и одновременно сохраняет упорядоченную ориентацию частиц, поэтому выделяется в отдельную группу.

Ответ. Поваренная соль — кристаллическое тело, поскольку её частицы упорядочены на больших расстояниях. Стекло — аморфное тело: оно твёрдое, но не имеет дальнего порядка. Жидкий кристалл распознаём по сочетанию текучести и упорядоченной ориентации частиц.

Задача 2. При нагревании кусочек кристаллического вещества плавится при определённой температуре, а стекло постепенно размягчается. Объясните различие. Важно связать наблюдение с внутренним строением, а не объяснять его только тем, что стекло выглядит иначе.

1. У кристалла есть дальний порядок: частицы образуют закономерную структуру.
2. При определённой температуре эта структура разрушается, и твёрдое вещество переходит в жидкое состояние. Поэтому кристалл плавится при конкретной температуре.
3. В стекле нет дальнего порядка, который разрушался бы сразу. При нагревании его состояние меняется постепенно, и оно размягчается в интервале температур.

Ответ. Резкое плавление кристалла связано с разрушением упорядоченной структуры при определённой температуре. У стекла дальнего порядка нет, поэтому переход к более мягкому состоянию происходит постепенно. Это объясняет различие в поведении веществ при нагревании.

Задача 3. В жидкокристаллическом экране изменение ориентации жидкого кристалла меняет прохождение света. Объясните, почему это возможно и какое свойство вещества используется. Для ответа нужно связать ориентацию частиц с оптическим поведением материала.

1. Частицы жидкого кристалла ориентированы упорядоченно, хотя само вещество может течь.
2. Из-за такой ориентации оптические свойства зависят от направления. Поэтому изменение направления, в котором ориентированы частицы, изменяет прохождение света.
3. В экране электрический сигнал меняет ориентацию частиц в нужном участке слоя. Так можно регулировать, сколько света проходит через этот участок.

Ответ. Используется анизотропия жидкого кристалла — зависимость его свойств от направления. Ориентация частиц меняет оптические свойства слоя и прохождение света. Управляя ориентацией, экран формирует участки разной яркости.

Типичные ошибки

Ошибка — считать аморфное тело жидкостью, потому что у него нет кристаллической решётки. Так думают, если отождествляют твёрдое состояние с упорядоченным строением частиц. Но стекло сохраняет форму и относится к твёрдым телам. Проверьте себя вопросом: течёт ли вещество при обычных условиях или сохраняет собственную форму?

Ошибка — утверждать, что аморфное тело плавится при одной строго заданной температуре. Это представление переносят с кристаллов, для которых характерна определённая температура плавления. Аморфное тело обычно постепенно размягчается в интервале температур. Чтобы проверить ответ, сравните, происходит ли переход резко или вещество становится мягким постепенно.

Ошибка — путать жидкий кристалл с обычной жидкостью. Название подталкивает считать его просто жидкостью, но частицы жидкого кристалла сохраняют упорядоченную ориентацию. Именно она влияет на свойства вещества. Проверьте себя: если частицы направлены согласованно, перед вами не обычная неупорядоченная жидкость.

Ошибка — понимать анизотропию как неоднородность вещества. Эти слова описывают разные вещи: анизотропия означает, что свойство зависит от направления, а неоднородность — что свойства различаются в разных местах. Проверить себя можно мысленным опытом: сравнить измерения вдоль разных направлений в одной и той же области материала. Если результаты зависят от направления, это анизотропия.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из частиц и что при нагревании усиливается их тепловое движение. Эти знания помогают объяснить, почему нагрев влияет на строение и состояние вещества. Разговор об аморфных телах продолжает изучение строения твёрдых тел и связывает его с плавлением и размягчением. Свойства жидких кристаллов пригодятся при изучении оптики: по ним можно понять, как устроено управление светом в экране.

Что запомнить

• Аморфные тела не имеют дальнего порядка в расположении частиц.
• Аморфные тела сохраняют форму, но при нагревании постепенно размягчаются.
• Кристаллическое тело обычно плавится при определённой температуре.
• Свойства аморфных тел обычно одинаковы по разным направлениям.
• Жидкие кристаллы текучи и одновременно сохраняют упорядоченность частиц.
• Ориентация частиц жидкого кристалла влияет на его оптические свойства.