Все хорошо знают, что вещества плавятся при нагреве и затвердевают при охлаждении. Обратное утверждение звучит парадоксально. Тем не менее, жидкие кристаллы позволяют сделать исключение из общего правила. Конкретно речь пойдет о плавлении смектика А в нематик. Плавление любых кристаллов означает полное разрушение кристаллической решетки. В данном случае исчезает периодическое расположение параллельных смектических плоскостей, т. е. разрушается решетка, существовавшая в единственном измерении. Изучать плавление смектика А при понижении температуры интересно не только с точки зрения науки о строении кристаллов, но и в практическом отношении. Очень часто желательно иметь материалы, которые работали бы при низких температурах так же хорошо, как и при высоких. Это относится, в частности, и к нематикам, которые, как мы уже знаем, являются ценными оптическими материалами.

Понятно, что не всякий смектик может обладать подобным свойством. Необходимы специальные типы молекул и решетки. Мы знаем, что это далеко не простая конструкция. Если хвосты молекул с дипольными головками как-то по-особому устроены, скажем, слишком толстые и изогнутые, или если наряду с такими молекулами присутствуют обычные длинные молекулы, способные прицепиться к хвостам, то строение стопки тонких слоев может отличаться от показанной на этих рисунках. При этом хвосты упаковываются в тонкие слои так, что в любых соседних слоях Дипольные головки целиком образуют либо верхнюю, либо нижнюю поверхности. Толщина таких отдельных слоев равна примерно длине одной молекулы.

В качестве тонкого слоя можно было бы выбрать пару соседних слоев, содержащих соприкасающиеся головки. Толщина такого слоя равна удвоенной длине молекулы. В .центре этого слоя находятся в контакте две дипольные поверхности. Контакт может осуществляться как через тонкую прослойку воды, так и без нее. Вода пригодится нам, чтобы яснее понять существо дела: Например, диполь головки в качестве положительного заряда может иметь ион натрия, который в воде легко отделяется от головки. В результате образуется отрицательно заряженная молекула. Это означает, что фактически в центре рассматриваемого двойного слоя соприкасаются две отрицательно заряженные поверхности, между которыми, очевидно, возникают кулоновские силы отталкивания.

Безусловно, толщину этого двойного слоя можно принять за период кристаллической решетки в одном измерении: складывая такие слои в стопку один на другой, мы получим как раз смектик А. Ну, а как быть с одиночными слоями, центры масс которых практически находятся в центре молекул? Ведь основная масса молекул сосредоточена в их длинных хвостах. Проведя через эти центры масс плоскости, называемые смектическими, мы тоже получим решетку, но ее период будет равен расстоянию между такими плоскостями, т. е. длине одной молекулы. Таким образом, кристаллическая решетка, составленная из особых молекул, имеет два характерных периода: I и 21.

Читатель, конечно, отметит вычурность такой кристаллической системы. Действительно, для ее воплощения в жизнь требуется немало условий. Но природа щедра и конструирует самые удивительные молекулы и молекулярные решетки. Нарисованная решетка не может существовать при слишком высокой температуре, поскольку ее конструкция содержит элементы, которые нетрудно расшатать тепловыми толчками. При нагревании она может расплавиться как в нематик, так и в смектик А, обладающий только одним периодом решетки I. В сущности строение такого смектика проще, чем у смектика с двойными слоями.

Но нас интересует сейчас результат охлаждения смектика с двойными тонкими слоями и двумя характерными периодами решетки. Каким бы слабым ни было притяжение между молекулами, при понижении температуры оно все сильнее подтягивает их друг к другу, что приводит к сжатию тел. Сжимается при охлаждении и решетка. И здесь происходит интересное явление. Когда в двойном слое два одиночных слоя с обращенными друг к другу заряженными поверхностями притянутся на очень близкое расстояние, между отрицательными зарядами возникнет очень сильное отталкивание. Это означает, что при низкой температуре близкий контакт двух заряженных поверхностей просто невозможен; заряды из этих поверхностей готовы уйти куда угодно, лишь бы не находиться рядом. Но если разрушаются заряженные плоскости, то, значит, разрушаются и параллельные им смектические плоскости. Следовательно, плавится вся решетка в целом.

Так получается исключение из общего правила, гласящего, что при охлаждении происходит кристаллизация. Из всего рассказанного можно сделать еще несколько любопытных выводов. Например, если смектик А с двойными слоями подвергнуть при постоянной температуре сильному сжатию, то он в конце концов расплавится в нематик. Это прямое следствие сильного отталкивания, возникающего при уменьшении периода столь вычурной кристаллической решетки. Такие же эффекты наблюдаются и в смесях смектиков с одиночными и двойными слоями при изменении концентрации компонент, нарушающем не очень устойчивое равновесие решетки.

Подобные явления заметно затягивают образование истинно твердого кристалла при остывании вещества. Это не удивительно, потому что строение двойного слоя противоречит строению решетки, твердой во всех измерениях. Поэтому в коллективе молекул необходимо сначала разрушить группировки типа двойных слоев, расплавив их в нематик, а затем из отдельных молекул построить совершенно новую решетку.

Затягивание процесса кристаллизации имеет прямое отношение к переохлаждению вещества в жидком состоянии, в котором попадаются какие-либо сгустки молекул, не согласующиеся со строением твердого кристалла. Здесь напрашивается очевидная аналогия. Все знают, как долго и трудно приходится овладевать вниманием коллектива, особенно если он разбился на группы, увлеченно беседующие о чем-то им интересном.

Таковы основные свойства смектических жидких кристаллов. Знакомясь с ними, мы не перестаем восхищаться красотой и изобретательностью природы, создающей неповторимые молекулярные ансамбли.