Разноцветные картинки, наблюдаемые в микроскоп, полимерные «гусеницы», искусственные «мышцы» и краска для автомобилей, которая меняет цвет в зависимости от угла наблюдения. Всё это — жидкокристаллические (ЖК) полимеры. О своих изысканиях и основных достижениях в этой области рассказывает главный научный сотрудник химического факультета МГУ, доктор химических наук Алексей Бобровский.
XX2 ВЕК. Расскажи, пожалуйста, почему заниматься ЖК-полимерами — это суперкруто?
А. Бобровский. Если коротко — просто потому что это интересно. Дело в том, что наука о жидких кристаллах и ЖК-полимерах — это нечто междисциплинарное, «сплав» химии и физики. С точки зрения химии это интересный дизайн молекул, порой сложный и нетривиальный химический синтез. А с точки зрения физической химии или физики конденсированного состояния вызывает большой интерес фазовое поведение таких систем, ведь ЖК-фазы — уникальное промежуточное состояние, находящееся как бы между полностью неупорядоченными системами и трёхмерно-упорядоченными кристаллическими фазами.
Некоторые ЖК-полимеры — эластомеры — могут быть интересны с точки зрения механики, для создания так называемых актюаторов, т.е. материалов, в которых энергия тепла или света трансформируется в механическую. Жидкие кристаллы используются в разных технологиях, в том числе в оптике или в медицине. И даже биологам жидкие кристаллы могут быть интересны, потому что, например, ДНК в некоторых условиях может образовывать ЖК-фазу. В клеточных мембранах молекулы тоже могут существовать в жидкокристаллическом состоянии. Эта область совсем мало изучена и исследователей тут ждёт немало открытий, я в этом уверен.
Вся история активного изучения жидких кристаллов — это всего лишь около 50 лет. Их открыли в 1888-м году (уже более 125 лет назад), но только в конце 60-х научились использовать. Тогда-то и возник огромный интерес к жидким кристаллам, но в основном с точки зрения дисплейных технологий. Но существует огромное количество потенциальных недисплейных приложений, которые сейчас активно разрабатываются. Да и много загадочного и непонятного в жидких кристаллах и ЖК-полимерах с точки зрения фундаментальной науки.
И второй аспект (для меня не менее важный) — эстетический. Текстуры жидких кристаллов, наблюдаемые в поляризационно-оптический микроскоп, не только важны с точки зрения понимания структуры ЖК-фаз, но и просто очень красивы своим богатством красок, разнообразием и динамикой изменений при фазовых переходах.
XX2 ВЕК. А расскажи про такую разработку как ходунок, как он работает?
А. Б. Где-то в конце 90-х — в начале 2000-х появились первые работы по т.н. фотоактюаторам. Актюатор — это материал, который преобразует энергию света, электричества в механическую работу. То есть при нагревании или облучении светом плёнка полимера меняет свои линейные размеры, она может укорачиваться или изгибаться. Их за эту способность сокращаться ещё называют искусственные мышцы. И вот в этой работе, о которой ты говоришь, были получены маленькие эластомерные палочки, которые под действием света нагреваются и быстро укорачиваются. К таким палочкам при помощи двухфотонной полимеризации удалось приделать четыре несимметричные ножки. Затем этот «ходунок» поместили на стеклянную подложку и стали облучать пульсирующим лазером. Этот ходунок стал сокращаться и постепенно ползти по этой стеклянной подложке.
Пока удалось реализовать ненаправленное движение, палочки хаотически перемещаются, но недавно опубликована работа, например, где реализован фотоактивный аналог гусеницы. Проводя лучом лазера по миниатюрной полимерной «колбаске» её заставляют изгибаться и ползти.
Тема создания и изучения фотоактюаторов сейчас активно развивается и появляется много статей на эту тему. Делают материалы, которые сминаются в гармошку или образуют спиральки, которые скручиваются и раскручиваются под действием света или нагревания. В общем, это большая область науки, и это стало возможным из-за комбинации свойств полимеров (способность образовывать плёнки, волокна), со свойствами жидких кристаллов (способность молекул упорядочиваться). Свет или тепло меняют степень упорядочения, или даже приводят к разрушению ЖК-фазы. И так как эти фрагменты, которые разупорядочиваются, связаны с полимерными молекулами, происходит изменение формы материала.
XX2 ВЕК. А вот есть ещё одно интересное применение — это разные сорта пленок, которые используют для валидации купюр например, или окна…
А. Б. «Умные окна» представляют собой дисперсию капель жидкого кристалла в полимерной плёнке, к которой прикладывают электрическое поле. Под действием электрического поля происходит ориентация молекул жидкого кристалла, и плёнка из мутной становится прозрачной. Этот процесс быстрый и обратимый. Есть фирмы, которые продают эти плёнки.
Кроме этого, есть такой вид фазы, холестерическая, которая обладает способностью селективно отражать свет. Например, на плёнку падает белый свет, но отражает в одной из областей спектра, скажем, только синий цвет. Такие покрытия используют в некоторых странах для защиты денежных знаков от подделки. В некоторых странах паспорта защищают от подделки такими ЖК-плёнками. Существуют пигменты на основе холестерических ЖК-полимеров, и ими даже красят автомобили. Интересная особенность этих пигментов — это то, что цвет зависит от угла обзора, если смотришь на эту плёнку под косым углом, то она из красной становится жёлтой или даже зелёной, а то и синей. Получается неопределённый цвет покрытия.
XX2 ВЕК. А теперь представь, что ты объясняешь пятикласснику, чем ты занимаешься. Как бы ты описал ему свою область исследований?
А. Б. Можно сделать такой мысленный (или реальный) эксперимент — представить молекулы в виде палочек, которые положить в коробку и потрясти. Палочки самопроизвольно станут ориентационно упорядочены. Это и есть самая простая, нематическая ЖК-фаза.
Если эти палочки взять и привязать к длинной молекуле, то получится что-то вроде гибкой «гребёнки». Это — модель гребнеобразного ЖК-полимера.
Длинная полимерная цепочка даёт возможность образовывать этому материалу плёнки, волокна, а палочкообразные «подвески» могут упорядочиться в ЖК-фазу. Такими системами я и занимаюсь. А вот если ввести в такие молекулы палочки, которые под действием света превращаются в «крючочки» (сгибаются), то легко представить, что полученные под действием света «крючки» уже не могут ориентироваться. По-научному это называется «изотермический фотоиндуцированный фазовый переход».
Зачем все это? Нам интересно узнать, по каким законам и каким образом происходят изменения под действием света или электрического поля в плёнках ЖК-полимеров, выявить закономерности этих процессов. Это и есть фундаментальная наука. Вначале мы придумываем дизайн полимерной молекулы, предполагая при этом, какие интересные оптические свойства можем получить. Затем синтезируем эти полимеры. И бывает два варианта развития событий: либо все получается так, как мы предположили, и мы уже подробно изучаем это поведение (структуру фаз и оптические свойства). А может получиться так, что поведение совсем кардинально отличается от того, что мы ожидали. И это, пожалуй, самое интересное, — тогда мы начинаем думать, почему получилось совсем иначе, нежели мы предполагали.
XX2 ВЕК. Расскажи, пожалуйста, про свою лабораторию, про её историю, про то, чем вы занимаетесь.
А. Б. Насчёт места работы мне очень повезло, потому что именно в этой лаборатории под руководством Н.А. Платэ в 70-е годы были получены первые гребнеобразные ЖК-полимеры. Один из создателей гребнеобразных ЖК-полимеров сейчас заведующий лабораторией. Это было сделано параллельно с немецкими учёными, лабораторией Рингсдорфа (Helmut Ringsdorf).
В 90-е годы из всех научных учреждений страны произошёл массовый отток научных работников в другие сферы и за границу. И наша лаборатория сильно уменьшилась, сейчас у нас вообще два научных сотрудника, один аспирант и один студент. Это связано с катастрофически низким финансированием науки и отсутствием грамотной инфраструктуры. Кроме того, когда наша кафедра создавалась, в 60-е годы, полимерная химия была принципиально новым направлением; возникали полимерные институты, была создана наша кафедра высокомолекулярных соединений. Сейчас конечно другие мейнстримные направления — графены, флуоресцентные белки, солнечные батареи, альтернативная энергетика и т.д. Тем не менее, лично я вижу огромные перспективы в области, которой занимаюсь. И более того, меня даже устраивает тот факт, что это не мейнстрим: не надо соревноваться с хорошо оснащёнными западными учёными.
XX2 ВЕК. Ясно. А есть ли в России какие-нибудь другие лаборатории, которые тоже занимаются этой темой, или только в Москве в МГУ?
А. Б. Можно насчитать десяток-другой лабораторий, занимающихся жидкими кристаллами. Например, у нас давнее успешное сотрудничество с ФИАНом (Физический Институт Академии Наук), Институтом кристаллографии РАН, Институтом высокомолекулярных соединений в СПб, Институтом биоорганической химии (там уникальное научное оборудование, сочетающее несколько видов микроскопии). Продолжается сотрудничество с химиками из Минска. Пожалуй, самая продуктивная совместная работа идёт с химиками из Института физики из Праги. Они синтезируют для нас разные фоточувствительные мономеры, мы получаем на их основе полимеры и исследуем совместно с Институтом кристаллографии РАН и Курчатовским институтом. Недавно прошла Европейская конференция по жидким кристаллам в Москве. Она проводится в разных городах, и впервые была в Москве. Было порядка 300 участников из разных стран. Несколько лет назад была первая Всероссийская конференция по жидким кристаллам в Иваново. А до этого в Иваново регулярно проводились конференции по лиотропным жидким кристаллам. Полимерами намного больше людей занимается, этим летом была Каргинская конференция (названная в честь основателя нашей кафедры, академика Каргина). Она проводится регулярно и является довольно представительной, до 700 человек. Можно сказать, что, несмотря на отвратительное финансирование и отсутствие вменяемой инфраструктуры, ученые в России есть и они заняты делом.