Обратите внимание на то, что в каждом столбике диски молекул примерно параллельны друг другу, как в нематике, а расстояния между дисками совершенно произвольны. Это означает, что они свободно движутся вдоль столбиков, которые именно поэтому могут быть названы жидкими нитями, а еще точнее — нема-тическими столбиками. Сами же нематические столбики расположены в пространстве совершенно строго; все они параллельны друг другу и образуют шестиугольную решетку в плоскости ху.

Все-таки любопытно, почему так происходит? Какие силы и детали строения молекул способствуют подобным построениям частиц? В ответ на эти вопросы можно уверенно заявить, что в этой конструкции плоские диски фигурируют не случайно. В самом деле, такая форма молекул позволяет сделать следующие заключения. Взаимное притяжение двух молекул при неизменном расстоянии между центрами дисков будет наибольшим, когда диски параллельны и располагаются друг над другом. Притяжение будет наименьшим, когда диски находятся в одной плоскости. Это связано с тем, что в первом случае на одинаково близком расстоянии друг от друга находятся практически все атомы (попарно) двух молекул, а во втором случае близко друг от друга расположены только крайние атомы.

Силы отталкивания молекул тоже различны при разных взаимных положениях дисков. Видно, что в случае (а) диски могут подойти друг к другу, не отталкиваясь, на гораздо меньшее расстояние, чем в случае (б). Это связано с тем, что диаметр дисков гораздо больше их толщины. Таким образом, при одном и том же расстоянии между центрами масс молекулы в положении (а) сильно притягиваются, но слабо отталкиваются, в то время как в положении (б) они слабо притягиваются, но сильно отталкиваются. В молекулярном трехмерном кристалле тоже можно выделить столбики молекул, но в этих столбиках молекулы образуют периодический ряд, так как взаимодействия молекул, главным образом силы притяжения, успешно сопротивляются тепловым толчкам. А сами столбики — периодические ряды — составляют правильную шестиугольную решетку в основном за счет мощных сил отталкивания. Ведь мы знаем, что даже обыкновенные стальные шарики образуют правильную решетку, если ящик с ними не сильно трясти.

С увеличением температуры силы притяжения молекул в столбиках в конце концов не смогут удержать диски на определенных местах, т. е. периодические ряды превратятся в жидкие нити — нематические столбики. Но само расположение столбиков в правильной решетке еще не претерпит изменений, поскольку этот порядок связан с другими силами — силами отталкивания. При еще большем нагреве уже силы отталкивания не смогут обеспечить строгий порядок в расположении столбиков — решетка в двух измерениях расплавится и образуется трехмерный нематик, который течет в любом направлении при сохранении параллельности дисков. Решетку жидких нитей можно сравнить с пучком жесткостенных трубок, по которым течет нематик, а образование нема-тика в трех измерениях соответствует тому, что эти трубки лопаются при сильном разогреве.

Трехмерный нематик из дискообразных молекул был получен в лабораториях не сразу. Чаще всего возникали решетки жидких нитей. При этом выяснилось, что такая решетка не обязательно является шестиугольной. Бывают и квадратные решетки. Конечно, появление той или иной решетки зависит не только от способа укладки жестких трубок, но определяется другими деталями строения плоских молекул. Ведь молекула не обязательно имеет форму правильного диска. Вот эти-то неправильности, хотя и небольшие, придают силам взаимодействия молекул в плоскости ху небольшую угловую зависимость, которая и позволяет решетке сделать выбор между той или иной симметрией.

Мы не будем вдаваться в детали строения диско-молекул, но одну особенность хочется подчеркнуть. Такие молекулы обычно содержат много атомов углерода. Например, в вершинах шестиугольников, хорошо подогнанных один к другому, находятся атомы С. Поэтому такие вещества часто называют углеродистыми. Между прочим, таковыми являются сверхпрочный алмаз и малопрочный графит. Все знают, какое значение в наше время имеет графит. Устроена его решетка в трех измерениях довольно просто: можно сказать, что эта решетка представляет собой стопку огромных дисков, размером с целый кристалл, сдвинутых относительно друг друга. При этом расстояние между бесконечными дисками (0,335 нм) заметно больше расстояния между атомами в шестиугольнике (0,142 нм), что и делает графит легко расщепляющимся по плоскостям дисков.

Посмотрим теперь, как проявляются упругие свойства решетки жидких нитей. Мы знаем уже, что оптическая ось кристалла, образованного нематическими столбиками, параллельна жидким нитям: по этому направлению ориентируются короткие оси всех молекул. В то же время этот кристалл можно представлять себе как систему тесно уложенных жестких трубок. Чем же отличаются упругие свойства такого кристалла от свойств нематика, в котором также оптическая ось ориентирована одинаково в любом месте, если не действуют нагрузки? 

Отличие заключается в том, что здесь возможны не все отклонения оптической оси L от единственного направления, которые мы наблюдали в нематике на разных участках при различных нагрузках. Дело в том, что теперь оптическая ось жестко связана с настоящей кристаллической решеткой, хотя и существующей лишь в двух измерениях. Фактически вектор L совпадает по направлению с осями жестких трубок. Поэтому здесь недопустимы закручивание оптической оси в твист-ориентацию и ее изгиб. Действительно, такие деформации означали бы, что жесткие трубки в некоторых участках кристалла должны были бы сильно вдавиться (проникнуть) друг в друга, что невозможно из-за сильного отталкивания молекул. Чтобы так искорежить трубки, нужны очень большие усилия, при которых само существование решетки станет невозможным. Таким образом, для оптической оси у решетки жидких нитей существует только одна возможность изогнуться. Этот изгиб походит на изгиб толстого пучка жестких трубок, вплотную подогнанных друг к другу. В любом поперечном сечении пучка трубки параллельны друг другу, но от сечения к сечению ось пучка изменяет свою ориентацию.

Такие ограниченные возможности изменения оптических свойств служат подтверждением того, что мы наблюдаем именно такой отчасти твердый жидкий кристалл. Расплавив его в диско-нематик, мы убедимся, что в таком нематике существуют и кручение, и два типа изгибов оптической оси. Как уже говорилось, об этом свидетельствуют наблюдаемые дефекты ориентации. Нематическое состояние углеродистых веществ предоставляет уникальные возможности для наблюдения за дефектами.

Дело в том, что диско-нематик обладает очень большой вязкостью, поэтому дефектам в нем не так-то легко исчезнуть, если уж они возникли. Тем более, что можно внезапно и быстро охладить такой нематик, и все дефекты ориентации в нем как бы «замерзнут», не успев исчезнуть. Получив в руки такой материал, можно не спеша исследовать его под микроскопом. При этом участок с дефектом разрезают, снимая один тонкий слой за другим под разными углами к линии дефекта и на различных расстояниях от нее. Так до мельчайших деталей изучают дефекты диско-нематиков.