Дискотические жидкие кристаллы (дискотики) представляют собой особый класс мезофаз, образуемых молекулами дискообразной формы. В отличие от каламитных (стержнеобразных) жидких кристаллов, где анизотропия формы определяется удлинённой геометрией молекул, в дискотических системах решающим фактором становится плоская, часто шестиугольная или округлая структура центрального ядра. Обычно такие молекулы включают ароматическое ядро (например, бензольные или полициклические ароматические системы), окружённое гибкими алкильными заместителями.
Жёсткое ароматическое ядро обеспечивает выраженную π–π-стэкинг-взаимодействие между соседними молекулами, в то время как гибкие периферийные цепи стабилизируют мезофазу и регулируют расстояние между колоннами. Благодаря этому возникает возможность самосборки в упорядоченные надмолекулярные структуры при сохранении подвижности, характерной для жидкокристаллических фаз.
1. Дискотическая нематическая фаза (ND-фаза) Молекулы ориентированы преимущественно своими нормалями параллельно оси директора, но не формируют дальнего позиционного порядка. В этой фазе сохраняется лишь ориентировочный порядок, аналогичный нематикам каламитного типа, однако характер движения молекул иной: они вращаются и колеблются вокруг своих нормалей, демонстрируя двухмерную анизотропию.
2. Дискотическая колоннарная фаза (Col-фаза) Наиболее характерный для дискотиков тип упорядочения. Молекулы самособираются в цилиндрические столбцы за счёт π–π-стэкинга. Эти столбцы могут упаковываться различными способами, образуя двумерные решётки:
Колоннарные фазы обладают выраженной анизотропией транспортных свойств: вдоль колонн наблюдается высокая подвижность носителей заряда и тепла, тогда как в поперечном направлении проводимость значительно ниже.
3. Кубические дискотические фазы Редкий случай, при котором колонны образуют сложные трехмерные сетки с кубической симметрией. Они отличаются особой упорядоченностью, однако встречаются преимущественно в специально синтезированных соединениях с жёсткими боковыми заместителями.
Анизотропия проводимости Благодаря π–π-взаимодействиям ароматических ядер вдоль колонн возникает эффективный путь для переноса зарядов. Это делает дискотики перспективными материалами для органической электроники, фотопроводников, полупроводниковых наноструктур.
Оптические характеристики Дискотические мезофазы демонстрируют сильную анизотропию преломления и двулучепреломления. В колоннарных фазах возможны фотонные эффекты, обусловленные периодической структурой, что используется в дизайне органических светодиодов и фотонных кристаллов.
Механические особенности В отличие от каламитных нематиков, дискотики образуют более жёсткие структуры. Колоннарные фазы обладают тенденцией к образованию гексагональных доменов с хорошо выраженными границами. Динамика дефектов в этих системах напоминает топологические дефекты в двумерных решётках.
Рентгеноструктурный анализ (РСА) Позволяет определить тип упаковки колонн (гексагональная, ромбическая, ортогональная) по характерным рефлексиям малых углов.
Поляризационная оптическая микроскопия Используется для визуализации текстур мезофаз. Колоннарные фазы проявляют характерные мозаичные и шестиугольные текстуры, отличающиеся от шлиреновских текстур нематиков.
ЯМР-спектроскопия и диффузионные методы Применяются для изучения динамики молекул внутри колонн и поперёк них. Выявляют анизотропию диффузии и характер движения боковых цепей.
Электрические и оптические методы Исследования подвижности носителей заряда и анизотропии оптических свойств позволяют судить о перспективах использования дискотиков в электронике.
Формирование колоннарных структур связано с балансом:
Особое значение имеют условия внешней среды – температура, растворитель, давление. Переходы между различными колоннарными фазами могут происходить при изменении температуры или состава смеси.
Органическая электроника Колоннарные дискотики применяются как органические полупроводники в транзисторах, солнечных элементах и светодиодах. Их способность формировать анизотропные пути проводимости делает их перспективными для направленного переноса заряда.
Нанотехнологии и сенсорика Самосборка в упорядоченные двумерные решётки позволяет использовать дискотики в качестве матриц для наноструктурирования поверхности, а также как сенсорные материалы для обнаружения примесей и ионов.
Фотонные и оптоэлектронные устройства Анизотропные оптические свойства и возможность индуцировать ориентацию внешними полями открывают широкие перспективы для применения в лазерной технике, нелинейной оптике, фотонных кристаллах.