Лиотропный жидкий кристалл - Lyotropic liquid crystal

Высоковязкий гель кубической фазы, состоящий из полисорбат 80, вода и жидкий парафин.

А жидкокристаллический мезофаза называется лиотропный (а чемодан из лио- "раствориться" и -тропический "изменение"), если образовано растворением амфифильный мезоген в подходящем растворителе при соответствующих условиях концентрации, температуры и давления.[1] [2] Смесь мыла и воды - повседневный пример лиотропного жидкого кристалла.

Исторически этот термин использовался для описания общего поведения материалов, состоящих из амфифильный молекул при добавлении растворитель. Такие молекулы составляют водолюбивый гидрофильный головная группа (которая может быть ионной или неионной), прикрепленная к водоненавистнику, гидрофобный группа.

Микрофазовая сегрегация двух несовместимых компонентов в нанометровом масштабе приводит к разным типам протяженных анизотропных процессов, вызванных растворителем.[3] расположение в зависимости от объемного баланса между гидрофильной частью и гидрофобной частью. В свою очередь, они генерируют дальний порядок фаз с растворитель молекулы, заполняющие пространство вокруг соединений, чтобы обеспечить текучесть в систему.[4]

Таким образом, в отличие от термотропных жидких кристаллов лиотропные жидкие кристаллы имеют дополнительную степень свободы, то есть концентрацию, которая позволяет им индуцировать множество различных фаз. По мере увеличения концентрации амфифильных молекул в растворе возникают несколько различных типов лиотропных жидкокристаллических структур. Каждый из этих различных типов имеет разную степень молекулярного упорядочения в матрице растворителя, от сферических мицелл до более крупных цилиндров, выровненных цилиндров и даже двухслойных и многослойных агрегатов.[5]

Типы лиотропных систем

Примерами амфифильных соединений являются соли жирных кислот, фосфолипиды. Многие простые амфифилы используются как моющие средства. Смесь мыла и воды - повседневный пример лиотропного жидкого кристалла.

Биологические структуры, такие как волокнистые белки, демонстрирующие относительно длинные и четко определенные гидрофобные и гидрофильные «блоки» аминокислоты может также проявлять лиотропное жидкокристаллическое поведение.[6]

Самостоятельная сборка амфифила

Типичное амфифильное гибкое поверхностно-активное вещество может образовывать агрегаты посредством процесса самосборки, который является результатом специфических взаимодействий между молекулами амфифильного мезогена и молекулами немезогенного растворителя.

В водных средах движущей силой агрегации является "гидрофобный эффект Агрегаты, образованные амфифильными молекулами, характеризуются структурами, в которых гидрофильные головные группы подвергают свою поверхность воздействию водного раствора, защищая гидрофобные цепи от контакта с водой.

Для большинства лиотропных систем агрегация происходит только тогда, когда концентрация амфифила превышает критическую концентрацию (известную как критическая концентрация мицелл (CMC) или критическая концентрация агрегации (CAC) ).

При очень низкой концентрации амфифила молекулы будут распределены случайным образом без какого-либо упорядочения. При немного более высокой (но все еще низкой) концентрации, выше ККМ, самоорганизующиеся агрегаты амфифилов существуют как независимые образования в равновесии с мономерными амфифилами в растворе, но без дальнего ориентационного или позиционного (трансляционного) порядка. В результате фазы изотропный (т.е. не жидкокристаллический). Эти дисперсии обычно называют 'мицеллярные растворы ', часто обозначаемый символом L1, в то время как составляющие сферические агрегаты известны как 'мицеллы '.

При более высокой концентрации сборки станут упорядоченными. Истинные лиотропные жидкокристаллические фазы образуются, когда концентрация амфифила в воде увеличивается за пределы точки, в которой мицеллярные агрегаты вынуждены регулярно размещаться в космосе. Для амфифилов, которые состоят из одной углеводородной цепи, концентрация, при которой образуются первые жидкокристаллические фазы, обычно находится в диапазоне 25-30 мас.%.[нужна цитата ]

Жидкокристаллические фазы и состав / температура

Простейшая жидкокристаллическая фаза, образованная сферическими мицеллами, - это 'мицеллярная кубическая ', обозначается символом I1. Это высоковязкая, оптически изотропная фаза, в которой мицеллы расположены на кубической решетке. При более высоких концентрациях амфифилов мицеллы сливаются с образованием цилиндрических агрегатов неопределенной длины, и эти цилиндры располагаются на длинной гексагональной решетке. Эта лиотропная жидкокристаллическая фаза известна как 'гексагональная фаза ', или, точнее,'нормальная топология 'гексагональной фазы и обычно обозначается символом Hя.

При более высоких концентрациях амфифила 'ламеллярная фаза ' сформирован. Эта фаза обозначается символом Lα и может считаться лиотропным эквивалентом смектической А-мезофазы.[1] Эта фаза состоит из амфифильных молекул, расположенных в двухслойных слоях, разделенных слоями воды. Каждый бислой является прототипом расположения липиды в клеточных мембранах.

Для большинства амфифилов, которые состоят из одной углеводородной цепи, одна или несколько фаз, имеющих сложную архитектуру, образуются при концентрациях, которые являются промежуточными между концентрациями, необходимыми для образования гексагональной фазы, и теми, которые приводят к образованию ламеллярной фазы. Часто эта промежуточная фаза представляет собой бинепрерывная кубическая фаза.

Lyotropic1.jpg
Схема, показывающая агрегацию амфифилов в мицеллы, а затем в лиотропные жидкокристаллические фазы в зависимости от концентрации амфифилов и температуры.

В принципе, увеличение концентрации амфифилов выше точки, где образуются ламеллярные фазы, привело бы к образованию обратная топология лиотропные фазы, а именно обратные кубические фазы, обратная гексагональная столбчатая фаза (колонки воды, инкапсулированные амфифилами, (HII) и обратная мицеллярная кубическая фаза (объемный образец жидкого кристалла со сферическими водяными полостями). На практике фазы с обратной топологией легче образуются амфифилами, которые имеют, по крайней мере, две углеводородные цепи, прикрепленные к головной группе. Наиболее распространенные фосфолипиды, которые обнаруживаются в клеточных мембранах клеток млекопитающих, являются примерами амфифилов, которые легко образуют лиотропные фазы с обратной топологией.

Даже в пределах одних и тех же фаз самособирающиеся структуры можно настраивать по концентрации: например, в ламеллярных фазах расстояния между слоями увеличиваются с увеличением объема растворителя. Поскольку лиотропные жидкие кристаллы полагаются на тонкий баланс межмолекулярных взаимодействий, их структуру и свойства анализировать сложнее, чем у термотропных жидких кристаллов.

Объекты, создаваемые амфифилами, обычно имеют сферическую форму (как в случае мицелл), но также могут быть дискообразными (бицеллы), палочковидными или двухосными (все три оси мицелл различны). Эти анизотропные самоорганизующиеся наноструктуры могут затем упорядочиваться так же, как термотропные жидкие кристаллы, образуя крупномасштабные версии всех термотропных фаз (например, нематическую фазу стержневидных мицелл).

Молекулы-хозяева

Возможно, что определенные молекулы растворены в лиотропных мезофазах, где они могут располагаться в основном внутри, снаружи или на поверхности агрегатов.

Некоторые из таких молекул действуют как присадки, придавая определенные свойства всей фазе, другие можно рассматривать как простых гостей с ограниченным влиянием на окружающую среду, но, возможно, сильными последствиями для их физико-химических свойств, а некоторые из них используются в качестве зондов для определять свойства всей мезофазы на молекулярном уровне с помощью специальных аналитических методов.[7]

Палочковидные макромолекулы

Термин лиотропный также применялся к жидкокристаллическим фазы которые образованы определенными полимерными материалами, особенно теми, которые состоят из жестких стержневидных макромолекул, когда они смешаны с соответствующими растворителями.[8] Примеры подвески стержневидных вирусы такой как Вирус табачной мозаики а также искусственный коллоидный суспензии несферических коллоидных частиц. Целлюлоза и производные целлюлозы образуют лиотропные жидкокристаллические фазы, как и нанокристаллические ( наноцеллюлоза ) подвески. [9] Другие примеры включают ДНК и Кевлар, которые растворяются в серная кислота дать лиотропную фазу. Следует отметить, что в этих случаях растворитель снижает температуру плавления материалов, тем самым делая доступными жидкокристаллические фазы. Эти жидкокристаллические фазы по архитектуре ближе к термотропный жидкокристаллических фаз, чем обычные лиотропные фазы. В отличие от поведения амфифильных молекул, лиотропное поведение стержнеобразных молекул не связано с самосборка.[нужна цитата ]

Рекомендации

  1. ^ а б Барон, М. (2003). «Определения основных терминов, относящихся к жидким кристаллам с низкой молярной массой и полимерным жидким кристаллам (Рекомендации IUPAC 2001 г.)». Pure Appl. Chem. 73 (5): 845–895. Дои:10.1351 / pac200173050845.
  2. ^ Самособирающиеся супрамолекулярные структуры: лиотропные жидкие кристаллы Н. Гарти, П. Сомасундаран, Р. Меззенга, редакторы, Wiley, 2012 г. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9781118336632
  3. ^ Lagerwall, Jan P.F .; Гиссельманн, Франк (2006). «Актуальные темы исследования смектических жидких кристаллов». ХимФисХим. 7 (1): 20–45. Дои:10.1002 / cphc.200500472. PMID  16404767.
  4. ^ Цичжэнь Лян; Пэнтао Лю; Ченг Лю; Сигао Цзянь; Динъи Хонг; Ян Ли. (2005). «Синтез и свойства лиотропных жидкокристаллических сополиамидов, содержащих фталазиноновые фрагменты и эфирные связи». Полимер. 46 (16): 6258–6265. Дои:10.1016 / я.полимер.2005.05.059.
  5. ^ Льюис 2006, стр. 194
  6. ^ Льюис 2006, стр. 191
  7. ^ Доменичи, Валентина; Маркетти, Алессандро; Чифелли, Марио; Верачини, Карло Альберто (2009). «Динамика частично ориентированного L-фенилаланина-d8 в лиотропной системе CsPFO / H2O с помощью исследований релаксации 2H ЯМР». Langmuir. 25 (23): 13581–13590. Дои:10.1021 / la901917m.
  8. ^ Блюмштейн, Александр, изд. (1985). Полимерные жидкие кристаллы. Springer США. Дои:10.1007/978-1-4899-2299-1. ISBN  978-1-4899-2301-1.
  9. ^ Клемм, Дитер; Крамер, Фредерик; Мориц, Себастьян; Линдстрем, Том; Анкерфорс, Микаэль; Грей, Дерек; Доррис, Энни (2011). «Наноцеллюлоза: новое семейство природных материалов». Angewandte Chemie International Edition. 50 (24): 5438–5466. Дои:10.1002 / anie.201001273. PMID  21598362.

Библиография

  • Лафлин Р.Г. (1996). Поведение поверхностно-активных веществ в водной фазе. Лондон: Академическая пресса. ISBN  0-12-437760-2.
  • Феннелл Эванс Д. и Веннерстрём Х. (1999). Коллоидный домен. Нью-Йорк: Wiley VCH. ISBN  0-471-24247-0.
  • Джин, Хён Джун; Пак, Джэхён; Валлузи, Регина; Ким, Унг-Джин; Себе, Пегги; Каплан, Дэвид Л. (2006). «Биопереработка контрольного узла белков шелка». В Lewis, Randolph V .; Ренугопалакришнан, В. (ред.). Бионанотехнологии. Протеин для наноустройств. Springer. ISBN  978-1-4020-4219-5.